Vorlesung Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik W1332 Fakultät für Wirtschaftswissenschaften W. Dangelmaier Grundlagen der computergestützten Produktion und Logistik Inhalt 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Einführung: Worum geht es hier? System Modell Modellierung von Gegenständen Strukturmodelle (Gebildestruktur) Verhaltensmodelle (Prozessstruktur) Produktion Digitale Fabrik Planung von Produktionssystemen Wirtschaftlichkeitsrechnung Prüfungen 1 2. System Definition System Ein System ist ein aus mehreren Teilen zusammengesetztes Ganzes. Ein System ist eine Gesamtheit von Elementen, die in struktureller und funktioneller Hinsicht auf bestimmte Weise untereinander verbunden sind. Demnach kann ein System durch seine Funktion und durch seine Struktur gekennzeichnet werden. Systembegriff Ein System ist durch 3 Kategorien von Begriffen beschreibbar: Elemente/Subsysteme Eigenschaften Beziehungen zwischen den Elementen Wichtige Teile, die nicht Teil des Systems sind, werden als Umgebung beschrieben. Die Nahtstelle zwischen System und Umgebung heißt Systemgrenze. 2. System Elemente/Subsysteme Elemente/Subsysteme sind irgendwelche reale oder gedachte Dinge, z. B.: Berge, Flüsse, Seen Gebäude, Fahrzeuge, Straßen, Menschen Teile des menschlichen Körpers (Augen, Ohren,...) Zahlen, Variablen Geometrische Figuren, Ziffern, mathematische Symbole Elemente werden auf der jeweiligen Diskursebene nicht mehr weiter unterteilt. 2 2. System Eigenschaften Eigenschaften werden durch qualitative und/oder quantitative Parameter ausgedrückt, z. B.: Farbe, Form, und Abmessungen eines Gegenstands (Elementes) Fähigkeiten eines Menschen Radius, Umfang und Fläche eines Kreises Es werden nur die auf der jeweiligen Diskursebene relevanten Eigenschaften betrachtet. 2. System Beziehungen zwischen den Elementen Die Beziehungen stellen eine Ordnung unter den Elementen und Ihren Eigenschaften dar; sie können ebenfalls qualitativ oder quantitativ beschrieben werden, z. B.: Statische oder dynamische Lagebeziehungen Logische Verknüpfungen Warenaustausch & Devisenfluss zwischen verschiedenen Ländern Umgebung Die Umgebung umfasst alles, was außerhalb eines bestimmten Systems liegt; er werden zweckmäßigerweise nur solche Elemente der Umgebung betrachtet, die relevante Beziehungen zum System aufweisen. Systemgrenze Die Nahtstelle zwischen System und Umgebung ist die Systemgrenze. Systemgrenzen brauchen nicht mit irgendwelchen vorgegebenen Abgrenzungen physischer, geometrischer, organisatorischer oder juristischer Natur sein. Ihre Wahl hängt immer vom Zweck der Untersuchung ab. 3 2. System Systemstruktur Das abstrakte Gerüst der Elemente und ihrer Beziehungen untereinander bezeichnet man als die Struktur eines Systems. Beispiel: Fabrik Rahmenfertigung Zwischenlager Rohmateriallager Gabelfertigung Lackiererei Räderfertigung Entmontage Fertiglager Die Fabrik ist das zu betrachtende System. Elemente sind die verschiedenen Abteilungen. Beziehungen entsprechen dem Materialfluss der Abteilungen, deren Kapazität Eigenschaften der Elemente sind. Lieferanten und Kunden sind nicht Teil des Systems, sie gehören zur Umgebung. 2. System S((1R)1) S((R2 )1) 4 2. System y1 y2 y3 x1 x2 x3 S((1R)1) S((R2 )1) y4 y5 x4 x5 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2. System Gebilde- und Prozessstruktur Bei der Konkretisierung eines Systems in Raum und Zeit kann zwischen ortsabhängigen und zeitabhängigen Relationen unterschieden werden. Die räumliche Anordnung der Subsysteme ergibt die Gebildestruktur des Systems. Die Zeitabhängigkeit der Subfunktionen sowie die zeitabhängigen Relationen hingegen konstituieren die Prozessstruktur des Systems. S(R ) S((1R)1) S((R2 )1) S((R3 )1) S((R4 )1) S((R5 )1) S((R6 )1) 0 0 0 K 12 K 13 K 14 K 21 0 K 23 0 K 25 K 26 0 0 0 0 0 K 36 0 0 0 0 K 46 0 0 0 0 0 0 0 0 0 K 64 K 65 0 0 K … Kopplung 5 2. System 2. System 6 2. System Klassifizierung: Statische/dynamische Systeme Statische Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass Elemente, Beziehungen und alle charakterisierenden Größen zeitlich konstant sind. Bei dynamischen Systemen ist eine Reihe weiterer Differenzierungen möglich (determinierter Ablauf, zeitlich variabler Ablauf, zeitlich variables Verhalten, zeitlich variable Struktur): Art und Intensität der Beziehungen zwischen Systemen oder im Inneren des Systems können sich ändern Eigenschaften von Elementen sind veränderlich Änderungen der Struktur können auftreten 2. System Klassifizierung: Input/Output – Systeme Eine weitere Art von Systemen kann dadurch charakterisiert werden, das die Beziehungen in einem Fluss von Material, Energie oder Information bestehen. Die Elemente sind dann durch einen Input und Output entsprechender Größen charakterisiert, weshalb man von Input/Output-Systemen spricht. Gegebenenfalls kann man hier Elemente dadurch untergliedern, das man sie in permanente und temporäre Elemente gliedert. 7 2. System Klassifizierung: Geschlossene/Offene Systeme Systeme, die nur Beziehungen innerhalb der Systemgrenzen enthalten, nennt man geschlossene Systeme. Solche, die auch Beziehungen zur Umwelt aufweisen, werden als offene Systeme bezeichnet. Unternehmen sind immer offene Systeme. Was wäre ein geschlossenes System? Klassifizierung: Komplexität Ein System wird wesentlich charakterisiert durch den Grad der Komplexität. Die Komplexität wird bestimmt durch die Zahl der Elemente und ihrer Parameter sowie durch die Vielfalt und Variabilität der gegenseitigen Beziehungen. Mit steigendem Grad der Komplexität nimmt die Schwierigkeit der Beschreibung eines Systems zu; äußerst komplexe Systeme sind überhaupt nicht mehr vollständig beschreibbar. 2. System • Klassifizierung: Komplexität • Gerüst: Absolut statische Struktur; feste, zeitlich invariable Elemente und Beziehungen; der Aufbau eines solchen Gerüsts ist meist ein erster Schritt im Hinblick auf eine systematische Durchdringung eines Sachverhalts; z. B. Straßennetz • Uhrwerk: Einfachste dynamische Struktur mit genau vorhersehbaren Bewegungsabläufen; zu den „Uhrwerken“ werden auch dynamische Systeme im Gleichgewicht gerechnet, sofern das ruhende Gleichgewicht als Spezialfall einer Bewegung aufgefasst wird; z. B. Waage, Dieselmotor • Regler/Thermostat: Einfache dynamische Struktur, die mit vorhersagbaren Bewegungsabläufen permanent von außen her vorgegebene Gleichgewichtszustände anzustreben versucht; z. B. drehzahlgeregelte Maschine 8 2. System • Klassifizierung: Komplexität • Zelle: Offene Systeme, mit sich selbsterhaltender Struktur; Entwicklung eines Eigenlebens; z. B. Amöben, Viren • Pflanze: Arbeitsteilige, gegenseitig aufeinander angewiesene Zellen; schwache Empfänglichkeit für äußere Reize • Tier: Organismen mit stark ausgeprägter Mobilität; Sinnesaufnahme (Augen, Ohren, Nervensystem und Hirn); Formung und Mutierung eines Umweltbildes durch Filterung der Umwelteindrücke • Mensch: Selbstbewusstsein; überdenkt Umwelteindrücke; Fähigkeit, Symbole und Sprache zu benutzen; Zeitbewusstsein • Menschliche Organisation/Gesellschaft: System des Zusammenspiels von verschiedenen Individualfunktionen; Beziehungen zwischen Individuum durch Kommunikation; z. B. Unternehmen, Volkswirtschaft • Transzendentes System: Noch nicht bekannt; mit dem heutigen menschlichen Intellekt nicht zu erfassende Systeme 2. System Hierarchie Die Systemdefinition enthält per se keine Zuordnung, ob etwas als System, Subsystem oder als Element zu betrachten ist. Es ist zulässig, ein Element heraus zu greifen, und in weitere Bestandteile aufzugliedern, die dann als Sub-/ Untersystem bezeichnet werden. Der umgekehrte Schritt lässt Übersysteme entstehen, die ein System nur noch als „Black-Box“ sehen. Man kann ein System also als Ganzes oder detailliert betrachten. Fahrradfabrik Übersystem: Gesamtes Unternehmen Untersystem: Hochregallager 9 2. System Hierarchie: Untersystem Greift man ein Element aus einem System heraus, zerlegt es in Bestandteile niedrigerer Ordnung, und betrachtet auch deren gegenseitigen Beziehungen, so entsteht ein Untersystem. Alle dem ursprünglichen Element zugeordneten Beziehungen werden zu äußeren Beziehungen des Untersystems zu seiner Umwelt. Die Systemgrenze entspricht dem Umfang des ausgewählten Elementes. Hierarchie: Übersystem Man kann aber auch in umgekehrter Richtung ein System als Teil eines übergeordneten Gebildes, eines Übersystems, betrachten. Das ursprüngliche System wird dann selber zu einem Element des Übersystems. Bei diesem Wechsel der Betrachtungsweise werden innere Beziehungen des ursprünglichen Systems vernachlässigt, und das System wird nur noch als Ganzes wahrgenommen. 2. System Subsysteme Die Subsysteme eines Systems lassen sich ebenso wie dieses selbst durch ihre Funktion kennzeichnen; die Funktion eines Subsystems wird als Subfunktion bezeichnet. Die Art der Subsysteme wird also durch die Subfunktion und, soweit dies erforderlich ist, wiederum durch deren Struktur bestimmt. Hat ein System den Rang R, so gilt für die Subsysteme dieses Systems der Rang R-1. Hierarchie Ein System vom Rang R-1 ist Element im System vom Rang R, während dieses wiederum Element im System vom Rang R+1 ist. 10 2. System Systemgliederung nach Aspekten Überall dort, wo Verknüpfungen zwischen den Subsystemen existieren, sind die Querbeziehungen aufzuzeigen, um trotz der Aufgliederung die Zusammenhänge des Gesamtsystems sichtbar zu machen. Dabei können verschiedene Aspekte unterschieden werden: Die Aspektbetrachtung Teilsysteme konzentriert sich auf einzelne Merkmale. Bei einer solchen Gliederung nach Aspekten können Überschneidungen vorkommen, Elemente also in mehreren Teilsystemen auftauchen. Beispiel: Energiefluss, Materialfluss, Informationsfluss, Personenfluss, … 2. System Sub-/Untersystem Wir wählen ein Gliederungskriterium das partitionierend wirkt (abgegrenzte Untersysteme!) lokale Zusammenhänge schafft. Jedes Element nur in einem einzigen Untersystem. Teilsystem/Aspekt Wir wählen ein Gliederungskriterium das überall gilt (Zusammenhang!) sich von anderen Gliederungskriterien gut separieren lässt. Jedes Element kann in allen Teilsystemen auftreten. 11 2. System 2. System Beispiel 3: Montage von Tischen B 1712 2712 A Tisch 3712 4712 5712 5711 4711 3711 2711 1711 Tischplatte nacheindeutig/vorvollständig Bei Nacheindeutigkeit hat jeder Tisch eine Relation zu genau einer Tischplatte. Vorvollständigkeit liegt vor, wenn alle Tische Bestandteil einer Relation sind. 12 2. System Beispiel 3: Montage von Tischen B 1712 6711 5711 4711 3711 2712 A Tisch 2711 1711 Tischplatte 3712 injektiv Bei Voreindeutigkeit hat eine Tischplatte eine Beziehung zu jeweils nur einem Tisch. 4712 5712 2. System Beispiel 3: Montage von Tischen B 1712 2712 A Tisch 3712 4712 5711 4711 3711 2711 1711 Tischplatte 5712 6712 surjektiv Zusätzlich zu den Anforderungen einer Funktion (vorvollständig, nacheindeutig) sorgt die Nachvollständigkeit dafür, dass jede Tischplatte in mindestens einer Beziehung vertreten ist. 13 2. System Beispiel 3: Montage von Tischen B 1712 Tisch 5711 4711 3711 2712 A 2711 1711 Tischplatte 3712 4712 5712 bijektiv Nachvollständigkeit und Voreindeutigkeit führen zur vollständigen Abdeckung der Tischplatte und dazu, dass jedes Element in nur einer Beziehung auftritt. 2. System Beispiel 3: Montage von Tischen B 1711 A Tischplatte 2711 3711 4711 5711 5712 4712 3712 2712 1712 Tisch invers Die Umkehrung der Relation erhält exakt dieselben, jetzt umgekehrt geordneten Paare. Die Relation könnte jetzt als Teileverwendung der Tischplatten interpretiert werden. 14 2. System 2. System • Die Relation „Fahrradbauteil sein von“ ist das relative Produkt der Relation „Vorderradbauteil sein von“ und der Relation „Vorderrad sein von“, denn für jedes x und y gilt: x ist ein Bauteil von Fahrrad y es gibt ein solches Vorderrad z, dass x Bauteil von Vorderrad z und Vorderrad z ist Bauteil von Fahrrad y. Aus diesen Beispielen ist sofort zu ersehen, dass das relative Produkt von Relationen nicht kommutativ ist: Die Ehefrau des Bruders ist jemand anderes als der Bruder der Ehefrau; der Bruder der Mutter ist jemand anderes als die Mutter des Bruders. 15 2. System 2. System Beispiel 6: Welcher Tisch kann mit welchem Furnier geliefert werden? Tischplatte R 4712 1711 Tisch 47121 47122 2711 3711 4711 5711 Furnier S 4712 Tisch47121 platte 47122 Eiche Buche Teak 16 2. System Furnier Tisch Eiche Buche 1711 Teak 2711 3711 4711 5711 2. System 17 2. System Beispiel 8: Produktdatenbank Die Fa. Cyberbikes betreibt einen Fahrrad-Spezialversand. Wir bereiten den Aufbau der Produktdatenbank der Cyberbikes vor. Dazu stellen wird die Relationen in Form von Tabellen dar. Die einzelnen n-Tupel einer Relation sind dabei die Zeilen einer Tabelle. (Beispiel: Die Produkte der Cyberbikes). Die Spalten gehören zu gewissen Attributen (wie „Produkt“, „Preis“, usw.). Rp P. Nr. Produkt Preis Hersteller-Nr. 1 Nirwana 990 1 2 Footstrong 590 2 3 Cosmos 2150 2 4 Plusquamperfekt 95 3 Die Zeilen (1, Nirwana, 990, 1), ... sind Elemente der Produktmenge N CHAR (15) N N. Analog enthält die Relation RH = {(Sandplatz, Kalkburg), ...} N CHAR (15) CHAR(15) nähere Informationen zu den Herstellern. 2. System RH Hersteller-Nr. Name Ort 1 Sandplat Kalkburg 2 Prophete Rheda 3 Nixe Ludwigsburg 18 2. System RP (Hersteller-Nr., Hersteller-Nr.] RH P. Nr. Produkt Preis Hersteller-Nr. Name Ort 1 Nirwana 990 1 Sandplatz Kalkburg 2 Footstrong 590 2 Prophete Rheda 3 Cosmos 2150 2 Prophete Rheda 4 Plusquamperfekt 95 3 Nixe Ludwigsburg 2. System Die Anfrage „Preis aller von Prophete hergestellten Produkte“ könnte damit wie folgt formuliert werden: Produkt, Preis (Name=Prophete (Rp[Hersteller-Nr., Hersteller-Nr.] RH)), Schritt 1: Verkettung Rp[Hersteller-Nr., Hersteller-Nr.] RH)): R1 = RP (Hersteller-Nr., Hersteller-Nr.] RH P. Nr. Produkt Preis Hersteller-Nr. Name Ort 1 Nirwana 990 1 Sandplatz Kalkburg 2 Footstrong 590 2 Prophete Rheda 3 Cosmos 2150 2 Prophete Rheda 4 Plusquamperfekt 95 3 Nixe Ludwigsburg 19 2. System Schritt 2: Auswahl der Zeilen mit „Name = Prophete“: R2 = Name=Prophete R1 P. Nr. Produkt Preis Hersteller-Nr. Name Ort 2 Footstrong 590 2 Prophete Rheda 3 Cosmos 2150 2 Prophete Rheda Schritt 3: Projektion auf die Spalten Produkt und Preis R3 = Produkt, Preis R2 Produkt Preis Footstrong 590 Cosmos 2150 Ergebnis ist die geforderte Preisinformation. 2. System Beispiel Presswerk Auftrag: Ein Auftrag der Fertigungssteuerung an das Presswerk, bestimmte Teile zu bestimmten Mengen und Terminen zu fertigen. Teil: Ein Teil ist ein nicht zerlegbarer Gegenstand aus einem Stoff. Arbeitsgang: Ein Arbeitsgang ist eine Teilverrichtung auf einer Maschine. Pressenstraße: Die Pressen sind im Presswerk in Pressenstraßen gruppiert. Eine Pressenstraße umfasst 8 Pressen. Die Kopfpresse hat ca. 2.000 to Presskraft und ist eine Ziehpresse, mit der die Kontur eines Karosserieteils gezogen wird. Die nachfolgenden Pressen haben zwischen 800 to und 1.500 to Presskraft und dienen zum endgültigen Beschneiden des Bleches. Da das Presswerk insgesamt 5 Straßen umfasst, stehen im Presswerk 40 Pressen. 20 2. System Kostenstelle: Eine Kostenstelle ist ein autonomes Gebilde hinsichtlich der Betriebsmittel- und Personalkapazität. Sie umfasst jeweils eine Pressenstraße. Rüstkapazität: Die Rüstkapazität steht für das gesamte Presswerk zur Verfügung. Fertigungssteuerung: Die Fertigungssteuerung erfolgt im Presswerk durch dezentrale Werkverteiler. Transport: Die Anlieferung der geschnittenen Platinen erfolgt per Kran. Der Abtransport der fertigen Teile wird von Traktoren in Behältern erledigt. 2. System Begriff: Beispiel: Systemgrenzen: Zum Materialeinkauf: Zur Fertigungssteuerung: Zum Lager: usw. Bereitstellung des Materials Übermittlung der Aufträge Anlieferung der fertigen Teile Umwelt: Einkauf Energieversorgung Direktion Aspekt Produktionsversion Aspekt Energie Aspekt Information Übersystem: System: Untersystem: Gesamtes Automobilwerk bzw. Produktion Presswerk z. B. 1 Presse / Leitstand der FST Hierarchie: Hierarchie der Funktionen / Objekte 21 2. System Begriff: Beispiel: Element: Aufträge: Element von Auftragsbestand Pressen, Bedienungsperson usw. Element von Produktionssystem Globale / Detaillierte Betrachtung: Global: Detail: Teilsystem (Aspekte): Aspekt Produktion: Teilsysteme sind die Fertigungseinrichtungen, die Fördersysteme, das Personal und die Aufträge Komplexität: Höchste bekannte Stufe Black Box: Annahme: Input: Output: Presswerk als Ganzes mit Input und Output z. B. 1 Presse mit 4 Mann Bedienung Produktionssystem sei Black Box Aufträge, Material, Energie Fertige Teile, Abfall 2. System Zusammenfassung Das Systemkonzept erlaubt ein komplexes Gebilde in logisch geordneter Art und Weise aufzugliedern und dabei einzelne Teile für eine detaillierte Untersuchung heraus zu greifen, ohne dabei den Gesamtzusammenhang aus den Augen zu verlieren. Diese Technik kann einmal bei der Analyse existierender Systeme angewendet werden, das heißt bei der deskriptiven Betrachtung. Dieselbe Technik lässt sich auch anwenden bei der konstruktiven, gestaltenden Arbeit an Systemen. 22 2. System Aufgabe 1: Beschreiben Sie die Mensa der Universität Paderborn als System. Aufgabe 2: Auf welcher Stufe der Komplexität steht Ihr PC? Aufgabe 3: Gliedern Sie diesen Hörsaal die Stadt Paderborn Ihren Laptop in Subsysteme und Teilsysteme. Zeigen Sie die Hierarchie Ihrer Gliederung, Elemente, Umsysteme, Beziehungen zwischen den Elementen. 2. System Aufgabe 4: a. Definieren Sie ein System und nennen Sie die 3 Kategorien, durch die ein System beschreibbar ist. b. Beschreiben Sie ein System „Fahrradfabrik“ beispielhaft anhand der 3 Kategorien und grenzen Sie das System von der Umwelt ab. Verwenden Sie die Untersysteme Verwaltung, Wareneingang, Produktion und Versand. c. Erstellen Sie eine Systemhierarchie für die oben genannte Fahrradfabrik. Erweitern Sie das System um die Untersysteme: Einkauf, Verkauf, Konstruktion, Gebäudereinigung, Teilefertigung, Vormontage, Montage und Auslieferlager. Erläutern Sie Ihre Lösung. 23 2. System Frage 5: Folgende Aussagen zum „System“ liegen vor: 1. 2. 3. 4. Eigenschaften werden durch qualitative und/oder quantitative Parameter ausgedrückt. Es werden nur die auf der jeweiligen Diskursebene relevanten Eigenschaften betrachtet. Beziehungen stellen eine Ordnung unter den Elementen/Subsystemen her. „Teilsystem“ ist nur ein anderer Name für Subsystem (oder Untersystem), aber sonst derselbe Sachverhalt. 5. Die Struktur eines Systems ist das abstrakte Gerüst der Elemente und ihrer Beziehungen. Was ist richtig? 2. System Frage 6: Folgende Aussagen zum „System“ liegen vor: 1. Ein System kann mit den Kategorien Subsysteme/Elemente Eigenschaften Beziehungen zwischen den Subsystemen beschrieben werden. 2. Eigenschaften können nur messbare physikalische Größen sein. 3. „Umgebung“ heißt, dass ab hier die Systembeschreibung falsch sein darf. 4. Offene Systeme sind noch nicht fertig. 5. Ein geschlossenes System hat nur Beziehungen innerhalb der Systemgrenzen. Welche Aussagen sind richtig? 24 2. System Frage 7: In der Systemhierarchie unterscheidet man ausgehend von einem System Über- und Untersysteme. Welche Aussagen sind richtig? 1. 2. 3. 4. Teilsysteme sind immer die feinste Detaillierung Ein Element ist die feinste Detaillierung auf einer Diskursebene. Ein Element kann in mehreren Subsystemen auftreten. Ein Element kann in mehreren Teilsystemen auftreten. 2. System Frage 8: Welche Aussagen sind richtig? 1. Die Gebildestruktur kann als Matrix dargestellt werden. 2. Statische Systeme sind durch zeitlich konstante Elemente, Beziehungen, Eigenschaften gekennzeichnet. 3. Dynamische Systeme lassen sich nach Determiniertem Ablauf Zeitlich variabler Ablauf Zeitlich variables Verhalten Zeitlich variable Struktur differenzieren. 4. Offene Systeme sind grundsätzlich auf der niedersten Komplexitätsstufe angesiedelt. 5. Technische Systeme wie ein Computer oder ein Auto liegen auf der höchsten Komplexitätsstufe. 6. Die Mensa der Universität Paderborn lässt sich nicht als System beschreiben. 25