Produktionsmanagement II Digitale Fabrikplanung und
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Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Produktionsmanagement II - Vorlesung 11 - Digitale Fabrikplanung und Simulation Vorlesungsbetreuer: Dipl.-Ing. Sebastian Gottschalk [email protected] WZL R. 523 Tel.: 80-27370 © WZL Lernziele der Vorlesung: • Überblick der IT unterstützten Fabrikplanung • Verständnis der Grundelemente der digitalen Fabrikplanung • Kenntnis wichtiger IT Werkzeuge für die digitale Planung und Überblick über deren Einsatzbereiche Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite I Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Inhaltsverzeichnis Vorlesung 11: 1. Kurzinhalt der Vorlesung V11 Seite 1 2. Einführung V11 Seite 2 3. Grundlagen der digitalen Fabrikplanung V11 Seite 6 3.1 Übersicht 3.2 Datenmanagement 3.3 Virtuelle Realität 3.4 Simulation 3.5 Durchgängiger Tooleinsatz 4. Fabrikplanungswerkzeuge V11 Seite 15 4.1 Werkzeuge zur Produktionsstrukturierung 4.2 Werkzeuge zur Layoutplanung 4.3 Werkzeuge zur Bereichs- und Arbeitsplatzgestaltung 4.4 Werkzeuge zur Ablaufsimulation 5. Ausblick V11 Seite 26 6. Übung Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite II Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Literaturverzeichnis Vorlesung 11: Bayer, J.; Collisi, T.; Wenzel, S. Simulation in der Automobilproduktion Springer-Verlag, Heidelberg 2003 Zimmermann, W. Operations Research, 9. Auflage R. Oldenbourg Verlag, München 1999 Mertins, K.; Rabe, M. The New Simulation in Production and Logistics IPK Eigenverlag, Berlin 2000 Rabe, M.; Hellingrath, B. Handlungsanleitung zum erfolgreichen Einsatz der Simulation in Produktion und Logistik, ASIM, SCS International, San Diego 2001 Bley, H.; Braun, P.; Wuttke, C.C. Simulation als Werkzeug zur Optimierung innerund zwischenbetrieblicher Logistik in der Blechverarbeitung EFB-Kolloquium '99, Saarbrücken 1999 Zäh, M.; Klimke, W.; Scheuermann, R.; Reinhart, G. Fabrikplanung 2002 Visionen - Umsetzung Werkzeuge Herbert Utz Verlag, 2002 Fahlbusch, M. Einführung und erste Einsätze von Virtual Reality-Systemen in der Fabrikplanung, Diss. RWTH Aachen, Shaker Verlag, 2001 Feldmann, K.; Reinhart, G. Simulationsbasierte Planungssysteme für Organisation und Produktion. Springer-Verlag, Heidelberg 1999 Petri, H. Trends in Automobile Production, Autotechnology 2/2003 Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite III Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Glossar Vorlesung 11: Digitale Fabrik: Mit dem Begriff Digitale Fabrik bezeichnet man Planungsansätze, die darauf abzielen, bereits vor dem Aufbau einer Fabrik bzw. eines Produktionssystems ein möglichst realistisches Abbild des zukünftigen Produktionsablaufes im Computer zu schaffen. Dabei werden sowohl Softwarewerkzeuge wie zur geometrischen Darstellung des Aufbaus aller zu produzierenden Produkte, Anlagen, Maschinen, Fördersysteme etc. als auch Simulationssysteme zur (teilweise auch dreidimensionalen) Abbildung des dynamischen Produktionsgeschehens eingesetzt. Simulation: Simulation ist in VDI 3633 definiert als die Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. Es geht also darum, an einem Modell unter dem kontrollierten Risiko eines Fehlschlages ein mit theoretischen Erwartungen belastetes Experiment durchzuführen. Benötigt werden dafür: – ein Modell – ein methodisches Vorgehen zur Erzeugung gewollter Effekte sowie – nützliche Daten Workflow: Als Workflow wird die Organisation von Arbeitsabläufen durch Beschreibung und Festlegung abgrenzbarer und arbeitsteiliger Prozesse, die in einer definierten Reihenfolge, parallel oder sequentiell, ausgeführt werden müssen verstanden. Ziel von DV-gestützten WorkflowManagement-Systemen ist, dafür zu sorgen, dass die jeweils anstehende Aufgabe zum richtigen Zeitpunkt den richtigen Mitarbeiter erreicht und er daher auch über die notwendigen Informationen verfügt. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite IV Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Kurzinhalt Vorlesung 11: Der Einsatz von IT Hilfsmitteln ist in den meisten Unternehmensfunktionen zur grundlegenden Erfolgsvoraussetzung geworden. Im Bereich der Projektierung und Gestaltung von Produktionssystemen und Fabrikanlagen findet unter den Titeln Digitale Fabrik und Digitale Fabrikplanung eine rasante Entwicklung statt. Mit sinkenden Produktlebenszyklen und der damit verbundenen Verkürzung der Planungsphase, zunehmender Diversifizierung der Produkte und Produktionsprozesse steigt die Häufigkeit und Komplexität von Fabrikplanungsaufgaben. Den damit wachsenden Bedarf nach größerer Planungseffizienz und -sicherheit begegnet die Digitale Fabrikplanung mit zahlreichen IT Werkzeugen über den gesamten Fabrikplanungsprozess hinweg. Das Verbesserungspotential liegt bei der computerunterstützten Planung vor allem im Umgang mit umfangreichen Datenmengen und der Möglichkeit, Planungsergebnisse innerhalb kurzer Zeit sichtbar und bewertbar zu machen. Die digitale Planung kann durch drei grundlegende Elemente charakterisiert werden: Das Datenmanagement als Hintergrundaufgabe, die Virtuelle Realität als Schnittstelle zum Benutzer und die Simulation als Prognoseinstrument. Die in der Fabrikplanung benötigten Daten zum Produkt, Produktionsprogramm, Prozess, Ressourcen usw. müssen an unterschiedlichen Stellen des Planungsprozesses erzeugt, angepasst oder bereitgestellt werden. Die Aufgabe des Datenmanagements besteht entsprechend darin über den gesamten Planungsprozess hinweg eine aktuelle und durchgängige Datenstruktur zu pflegen. Mit der wachsenden Leistungsfähigkeit von Computern haben sich Anwendungen mit Virtueller Realität, wie aufwendige graphische Darstellung, als Bedienungsschnittstelle in der Digitalen Fabrikplanung durchgesetzt. Damit ist es möglich Planungsschritte in einer wirklichkeitsgetreuen Computerumgebung durchzuführen und sichtbar zu machen. In Simulationsanwendungen wird das Verhalten komplexer Systeme nachgebildet. Damit wird es dem Fabrikplaner ermöglicht in der Planungsphase die Dimensionierung von Produktionsanlagen und die Prozessauslegung zu überprüfen und zu verbessern. In graphischen dreidimensionalen Simulationsanwendungen können räumliche Abläufe, wie Kollisionsuntersuchungen zur Roboterprogrammierung oder zur Gestaltung von Montageabläufen, durchgeführt werden. Die auf dem Markt verfügbaren IT Werkzeuge der Digitalen Fabrikplanung lassen sich nach ihrer Funktionalität in Anwendungen zur Produktionsstrukturierung, zur Layoutplanung, zur Bereichs- und Arbeitsplatzgestaltung und zur Ablaufsimulation unterteilen. Seit einigen Jahren entwickelt sich das Angebot hin zu Programmen, die durch einen modularen Aufbau eine durchgängige Funktionalität anbieten können. Das technologische und organisatorische Potential der Digitalen Fabrikplanung ist mit den bestehenden Werkzeugen noch nicht erschöpft. Ankündigungen von Automobilherstellern etwa in wenigen Jahren bereits keine Anlagen mehr aufzubauen und keine Fertigungsprozesse mehr in Betrieb zu nehmen, die nicht zuvor detailgetreu digital nachgebildet und untersucht wurden, machen die große Bedeutung des Themas Digitale Fabrikplanung deutlich. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 1 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Produktionsmanagement II V11: Digitale Fabrikplanung & Simulation n Motivation und Einführung n Grundlagen der digitalen Planung n Fabrikplanungswerkzeuge n Ausblick © WZL Anmerkungen zum Bild: Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 2 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Fabrikplanung Fabrikplanung Strategische Produktionsprogrammplanung • Produkttypen • Stückzahlen Festlegung der Produktionsprinzipien • Einzel- und Kleinserienproduktion vs. Serienproduktion • Werkstatt- vs. Gruppen- vs. Fließfertigung Layoutplanung Planung der Fertigungsmittel Arbeitsplanung • Groblayout • Fertigungsmittel • Prozesse • Feinlayout • Kapazität • Dokumente Arbeitsplan © WZL Anmerkungen zum Bild: Die wesentlichen Schritte der Planung eines Produktionssystems sind im obigen Bild dargestellt. Während der strategischen Produktionsprogrammplanung werden die zukünftigen Anforderungen an das Produktionssystem hinsichtlich zu fertigender Produkte ermittelt. Anschließend werden die Organisations- und Produktionsprinzipien des zukünftigen Produktionssystems festgelegt. Die Planung der Anordnungsstruktur der Betriebsmittel folgt in der so genannten Layoutplanung. Die Festlegung des Layouts ist eng verzahnt mit der Ermittlung von Art und Anzahl der benötigten Produktionsmittel. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 3 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Herausforderung digitale Fabrikplanung Herausforderungen für die Fabrikplanung SOP • Kürzere Produktlebenszyklen • Kürzere „Time to Market“ • Planungskosten • Steigende Änderungskosten • Zunahme der Variantenvielfalt Planung ð Planungshäufigkeit ð Planungsdauer ð Planungssicherheit ð Planungsflexibilität ð Planungskomplexität Serienanlauf Digitale Fabrikplanung Computerunterstützung der Planungsprozesse 4 Mio. Enabler Technologieentwicklung Leistungsfähigkeit von Computern am Beispiel von Transistoren pro Chip 0.1 Mio. 1980 2000 © WZL Anmerkungen zum Bild: Wachsender Bedarf nach Steigerung der Effizienz und Sicherheit von Planungsprojekten beschreiben die bestehenden Herausforderungen in der Fabrikplanung. Die computerunterstützte Durchführung von Planungsschritten kann hier einen wesentlichen Beitrag leisten. Die technologische Entwicklung eröffnet für die Digitale Fabrikplanung wachsende Möglichkeiten zur Gestaltung von IT Werkzeugen z.B. in Bezug auf die Verwendung von aufwendigen graphischen Benutzerschnittstellen. Die rasante Technologieentwicklung lässt sich an einer These von Gordon E. Moore, einem Mitbegründer der Firma Intel, von 1965 illustrieren. Er behauptete, dass die Rechenleistung und Transistordichte sich alle 18 Monate verdoppelte „Moore‘s law“. Bis heute trifft diese These zu. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 4 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Digitale Fabrikplanung Digitale Fabrikplanung ist die IT unterstützte Durchführung von Fabrikplanungsaufgaben: Programmplanung Prozessplanung Produktprogrammplanung CAx Systeme Layoutplanung Layoutplanungssysteme Kapazitätsplanung Ablaufsimulation Infrastrukturplanung Prozessplanung Strukturierungssysteme Datenbanksysteme Strukturplanung Arbeitsplatz- & Ergonomiegestaltung 3D Simulation Ausführungsplanung Einrichtung CAE Systeme Bereichslayoutgestaltung 3D CAD Systeme 3D Engineering Systeme Logistik- & Materialflussplanung Ablaufsimulation Durchgängige Aufgaben Datenmanagement Virtuelle Realität Simulation In Anl. an: Joos © WZL Anmerkungen zum Bild: Der Prozess der Fabrikplanung kann vereinfacht in vier Phasen der Programmplanung, der Prozessplanung, der Struktur- und der Ausführungsplanung beschrieben werden. Die Digitale Fabrikplanung unterstützt diesen Planungsprozess mit unterschiedlichen IT Werkzeugen. In der Programmplanung kommen vor allem CAx Systeme zum Einsatz wie Produktgestaltungssysteme (CAD) z.B. zur Stücklistengenerierung, Planungssysteme (CAP/ CAPP) zur Strukturierung und Dimensionierung der Fertigungsaufgaben. Zur Planung der Produktionsprozesse werden Systeme zur Prozessstrukturierung, d.h. zur Bestimmung der notwendigen Prozessfolgen und Betriebsmittel, sowie Systeme zur Kapazitäts- und Materialflussdimensionierung eingesetzt. Die Planung der Betriebsmittelanordnung wird durch Layoutgestaltungssysteme unterstützt. Zur Gestaltung der Produktionsabläufe werden in der Strukturplanung Werkzeuge zur Ablaufsimulation eingesetzt. Bei der Detailgestaltung von Arbeitsplätzen und Produktionsbereichen kommen 3D CAD und Engineeringsysteme zum Einsatz, mit denen die Gestaltung und Simulation von Produktionsumgebungen in wirklichkeitsnahen Darstellungen möglich ist. In der Ausführungsplanung werden Engineering Werkzeuge (CAE) eingesetzt, mit denen der Aufbau der zum Betrieb notwendigen Systeme unterstützt wird. Über den gesamten Planungsprozess der Digitalen Fabrikplanung hinweg sind drei durchgängige Elemente charakteristisch, die im weiteren Verlauf der Vorlesung näher erläutert werden: Das Datenmanagement, die Virtuelle Realität und die Simulation. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 5 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Produktionsmanagement II V11: Digitale Fabrikplanung & Simulation n Motivation und Einführung n Grundlagen der digitalen Planung n Fabrikplanungswerkzeuge n Ausblick © WZL Anmerkungen zum Bild: Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 6 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 g1 Datenmanagement in der Fabrikplanung Konstruktionsdaten D l Aufgaben im Datenmanagement: Übergreifende Datenhaltung ð Datenbanksysteme Datenübergabe ð Standardisierte Schnittstellen Datenbereitstellung ð Datenstruktur/ Workflowsysteme Materialfluss- & Steuerungsregeln L Produktdaten Produktionsprogramm Prozessdaten Arbeitsplandaten Arbeitsplan Arbeitsplan Typ BILLING ADDRESS: NAME ADDRESSS ADDRESSS PHONE EXT. BILLING ADDRESS: CASH CHARGE C.O.D. NAME Ressourcendaten PHONE 1001 EXT. SHIPPING ADDRESS: PAID SHIP OUT VIA ADDRESSS Jahr 1001 SHIPPING ADDRESS: NAME PHONE CASH CHARGE C.O.D. F.O.B. POINT NAME DESCRIPTION ADDRESSS EXT. PHONE PAID SHIP OUT VIA EXT. F.O.B. POINT DESCRIPTION TAX RECEIVED BY TOTAL TAX 1996 1998 2000 Fabriklayout RECEIVED BY Lager- und Transportdaten Maschinen- & Werkzeugdaten TOTAL Ressourcenverfügbarkeiten & Qualifikationen XII IX III VI © WZL Anmerkungen zum Bild: Das Datenmanagement besteht in der Haltung, Verknüpfung und der Bereitstellung der unterschiedlichen im digitalen Planungsprozess notwendigen Daten. Die in der Fabrikplanung verwendeten Daten beziehen allem auf das herzustellende Produkt, auf die Produktionsressourcen und auf den Produktionsprozess. Die Schwierigkeit des Datenmanagements besteht in der Breite der unterschiedlichen Datentypen und der Vielzahl der bei der Datenhaltung und -bereitstellung beteiligten Interaktionsgruppen im Unternehmen. Damit es nicht zu Redundanzen der Datensätze kommt, muss das Datenmanagement über eine übergreifende Datenstruktur verfügen, aus der alle im Planungsprozess benötigten Daten bedarfsgerecht bereitgestellt werden und in die die Ergebnisse der Planungsschritte als Eingabe für die folgenden Schritte eingepflegt werden. Entsprechend können die grundlegenden Aufgaben des Datenmanagements zusammengefasst werden in der übergreifenden Datenhaltung, der Datenübernahme von einem Planungsschritt zum nächsten und der bedarfgerechten Datenbereitstellung. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 7 Folie 11 g1 Sücklisten & Konstruktionszeichnung got_h1; 16.05.2003 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Virtuelle Realität in der Fabrikplanung z.B.: Energie- und Klimasimulation im VR-Modell einer Fabrikhalle z.B.: Digitale Planungsumgebung zur Fabrikplanung Quelle: IFA Quelle: MPA Erweiterter Inhalt Augmented Reality Kontextsensitiver Einsatz von VR Realität Virtuelle Realität Darstellungsinhalt Das real Sichtbare z.B.: Abbildung eines Fertigungsbereiches real virtuell Darstellungsraum © WZL Anmerkungen zum Bild: Die Virtuelle Realität (VR) hat sich mit der wachsenden Leistungsfähigkeit von IT Systemen zur wichtigsten Benutzerschnittstelle in der Digitalen Fabrikplanung entwickelt. Neben der reinen Darstellung von Planungsergebnissen werden VR Systeme auch zur Gestaltung eingesetzt, indem der Planer am virtuellen Objekt Veränderungen vornehmen kann. Die unterschiedlichen Formen der Virtuellen Realität, die in der Digitalen Fabrikplanung zum Einsatz kommen können über Darstellungsraum und Darstellungsinhalt differenziert werden. In der weitreichendsten Form der VR, der kontextsensitiven Verwendung, bewegt sich der Planer in einer virtuellen, d.h. digitalen Umgebung und erhält für seine Aufgabe relevante Zusatzinformationen wie z.B. Spezifikationen der Betriebmittel, mögliche Planungskonfigurationen oder Hinweise auf mögliche Auswirkungen seiner Planungsentscheidungen. Typische Anwendungsformen virtueller Realität sind z.B. auf einem normalen Computerbildschirm als Desktop VR, mit Datenhelmen (HMD) oder in VR-Räumen (Cave). Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 8 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Simulation in der Fabrikplanung simulare [lat]: nachahmen, vortäuschen, nachbilden Die Simulation unterstützt bei der: • • • • • Grafische 3D-Simulation Entscheidungsfindung Alternativenbewertung Ermittlung von Planungsdaten Systemverständnis Systemoptimierung Ablaufsimulation FEM Simulation Mehrkörpersimulation F Quelle Bosch © WZL Anmerkungen zum Bild: In der Simulation wird das Verhalten komplexer Systeme unter bestimmten Randbedingungen untersucht, um z.B. Bewertungen vornehmen zu können oder um ein Verständnis des Systemverhaltens abzuleiten. Simulation ist grundsätzlich nicht auf ein Fachgebiet beschränkt und kann an physischen so wie an rein gedanklichen Modellen stattfinden. Ebenfalls ist Simulation im Prinzip nicht an die Verwendung von Computern gebunden. Im Umfeld der Digitalen Fabrikplanung ist vor allem die graphische 3D Simulation und die Ablaufsimulation von Bedeutung. Die graphische Simulation wird zum Beispiel für die Auslegung von Arbeitsbereichen von Maschinen oder Ergonomieuntersuchungen eingesetzt. Mit der Ablaufsimulation können Materialflüsse, Steuerungsregeln oder die kapazitive Auslegung von Betriebmitteln untersucht werden. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 9 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Ablauf einer Simulationsuntersuchung Modell 1 2 7 Produktionskennwerte 3 6 4 Analyse 5 Modellierung Fall 1 Fall 2 Verbesserung Modell Realität Interpretation reales System Ergebnisse Umsetzung • Puffer vergrößern Problemstellung • Kapazität erhöhen In Anl. an: VDI-Richtlinie 3633 © WZL Anmerkungen zum Bild: Die Vorgehensweise in Simulationsuntersuchungen kann in vier Schritten beschrieben werden: Zunächst wird das reale System in einem Modell abgebildet. Die Modellierung eines Systems bedeutet immer ein verkürzte Wiedergabe der tatsächlichen Zusammenhänge. Es ist daher von großer Bedeutung den Zweck und die Verwendung eines Modells zu beachten und danach die Regeln und Verkürzungen bei der Modellierung zu wählen. In der IT unterstützten Simulation wird das Modell in Algorithmen beschrieben. Untersuchungen die mit dem Modell durchgeführt werden, führen zu Aussagen über das Verhalten des Systems unter bestimmten Randbedingungen. Die Vielzahl von Ergebnissen werden nach der Simulation verdichtet, zugeordnet und interpretiert, z.B. in Graphen oder Kennzahlen. Die Analyse und Interpretation der Kennwerte führt zu Rückschlüssen auf Veränderungsbedarf am System. Bei der Optimierung werden Veränderungen am Modell vorgenommen, die Aussagen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf das Ergebnis machen lassen. Gewonnene Erkenntnisse müssen auf Realisierbarkeit und ihren Kosten/Nutzen-Faktor hin überprüft werden, um anschließend auf das reale System übertragen zu werden. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 10 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Verbessern Simulieren Modellieren Teilschritte einer Simulationsuntersuchung ??? Input Modell § Modellierung der Produktionsressourcen Output § Identifikation der relevanten Leistungsdaten Modellierung ??? Input Modell Output § Leistungsfähigkeit des Systems § Sensitivität des Systems gegenüber Änderungen (Flexibilitätsreserve) § Sensitivität gegenüber Störungen (Störempfindlichkeit) Simulation § Ableitung von Maßnahmen ??? Input § Abbildung der Produktionsabläufe Modell Output § Abhängigkeiten der einzelnen Maßnahmen § Bewertung der Maßnahmenwirkung Optimierung § Erstellung von Szenarien © WZL Anmerkungen zum Bild: Im Mittelpunkt der Simulationsuntersuchung steht das Modell, dass zusammen mit seinen Input und Outputgrößen in verkürzter Weise die Eigenschaften des zu untersuchenden Systems abbildet. Die wesentlichen Teilschritte einer Simulationsuntersuchung sind der Aufbau des Modells mit seinen Input- und Outputvariablen (Modellieren), die Untersuchung des Verhaltens des Modells anhand seiner Outputgrößen (Simulieren) und die Verbesserung des Systems durch die Optimierung der Inputvariablen. Eingangsgrößen des Modells sind die im Modell abgebildeten Variablen, die z.B. die Auftragslage, Maschinencharakteristika, Steuerungsregeln usw. beschreiben. Die Ausgangsgrößen der Untersuchung sind Produktionskennwerte wie z.B. die Maschinenauslastung, Durchlaufzeiten für Aufträge usw.. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 11 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Simulationsmodelle Modellierung der Zeitvariablen Dynamisch Diskret Betrachtung eines Zustandes (zeitunabhängig) z.B.: Modellierung von Zustandsvariablen Kontinuierlich Abhängige Variable Abhängige Variable Abhängige Variable Zeit Statische Simulation: Zeitfolge Abhängige Variable Ereignisfolge Statisch Zeit Zeit Diskrete Ereignisfolge Simulation: Betrachtung eintretender Ereignisse Kontinuierliche Simulation mit diskreten Zeitintervallen: Betrachtung des Zustandes zu diskreten Zeitintervallen Kontinuierliche Simulation: Permanente Betrachtung des Zustandes z.B.: Materialflusssimulation z.B.: Simulation der Marktentwicklung z.B.: Prozesssimulation in der chemischen Industrie Quelle: ASIM © WZL Anmerkungen zum Bild: Wesentlichstes Differenzierungsmerkmal von Simulationsmodellen ist die Festlegung der Zeitvariablen. Die Bestimmung der Zeitvariablen hängt immer von der Art und dem Ablauf des Prozesses ab. Sie beschreibt in welchen Abständen Veränderungen erfasst und sichtbar werden. Die übliche Modellierungsform in der Prozesssimulation (Ablaufsimulation) ist die diskrete, ereignisorientierte Zeitmodellierung. Die abgebildeten Zeitpunkte werden dabei nicht durch konstante Intervalle vorgegeben, sondern durch Ereignisse, wie z.B. das Eintreffen eines Werkstücks an einer Bearbeitungsstation. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 12 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Warteschlangenmodell Modellierung der Vorgänge an einer Bearbeitungsstation: diskrete, ereignisorientierte Simulation im Warteschlangenmodell A1 A2 A3 A4 We2 t1 t2 t3 e1 e2 S1 e3 Zeit S3 S2 Ws Relevante Zeitpunkte des Ereigniskalenders Wei Wartezeit der i-ten Einheit ti Ankunftszeit der i-ten Einheit Ws Wartezeit der Bedienstation Ai Ankunftsabstände der Einheiten ei Bearbeitungsende der i-ten Einheit Si Bedienzeiten pro Einheit © WZL Anmerkungen zum Bild: Die diskrete, ereignisorientierte Simulation von Produktionsabläufen basiert üblicherweise auf dem Prinzip der Warteschlangentheorie. Auf der Zeitachse werden Punkte markiert, die eine diskrete Zustandsänderung im System bewirken (Ereignisse). Verteilungsfunktionen liefern die Ankunftsabstände der Einheiten und deren Bearbeitungsdauern. Der Bearbeitungsprozess beginnt, wenn die erste Einheit an der Station eintrifft und eine Station belegt. Jede weiter eintreffende Einheit wird in die Warteschlange vor der Station eingereiht, bis die Bearbeitungszeit der vorangegangenen Einheit abgeschlossen ist. Ist die Warteschlange leer und ist der Bearbeitungsvorgang der letzten Einheit abgeschlossen, wartet die Bedienstation bis zur nächsten Einlastung. Mit dieser relativ simplen Darstellung eines betrieblichen Prozesses lassen sich Extrema und Durchschnittswerte von Bearbeitungs- und Wartezeiten beschreiben und berechnen. Ausfallund Störzeiten können über deterministische oder stochastische Zeitanteile berücksichtigt werden und verbessern das nahezu realistische Verhalten von fertigungstechnischen Zeitdauern. Auf diese Weise können Verfügbarkeit und Nutzungsgrad verschiedener verketteter Produktionseinheiten eines Produktionssystems simuliert und prognostiziert werden. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 13 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Vollständige digitale Abbildung der Fabrik Prozessplanung Ergonomie Datenmodell Digitale Fabrik Entwicklung Produktionsgestaltung Digitale Fabrik ist die vollständige digitale Abbildung der Gestaltungsmerkmale einer Fabrik als Modell § Modularität § Generizität § Integration § Transparenz Simulation § Nutzung einer übergreifenden Datenmodellierung § Standardisierte Schnittstellen § Durchgängige Unterstützung aller Planungsaufgaben (Workflow) © WZL Anmerkungen zum Bild: Der vorherrschende Entwicklungstrend in der Digitalen Fabrikplanung ist eine vollständige funktionelle und virtuelle Absicherung der Planungsphase und eine durchgängige digitale Synchronisierung von Produkt- und Produktionsgestaltung. Ermöglicht werden muss dies durch ein durchgängiges Datenmodell, welches die unterschiedlichen Datenarten vereint, standardisierte Schnittstellen zwischen Benutzergruppen und Planungsphasen festlegt und einen durchgängigen Tooleinsatz in allen Planungsphasen ermöglicht. Die Eigenschaften eines Modells werden durch vier Charakteristika beschrieben. Modularität: Dient der Komplexitätsreduktion. Unter Modularisierung versteht man die Zusammenfassung von Objekten zu Subsystemen. Module sind in sich selbständig. Generizität: Generische Bausteine sind allgemeingültig, unabhängig von Spezifika eines zu modellierenden Objekts. Auf Basis dieser allgemeingültigen, generischen Vorgaben werden spezifische abgeleitet. Transparenz: Das Modell macht die interessierenden Zusammenhänge und Aspekte des zu modellierenden Objekts sichtbar. Integration: Die einzelnen Bausteine sind nicht isoliert, sondern aufeinander abgestimmt und bilden in der Summe ein einheitliches Ganzes. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 14 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Produktionsmanagement II V11: Digitale Fabrikplanung & Simulation n Motivation und Einführung n Grundlagen der digitalen Planung n Fabrikplanungswerkzeuge n Ausblick © WZL Anmerkungen zum Bild: Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 15 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Tools zur Produktionsstrukturierung Einsatzfelder der Softwaretools § Produkt- und Teilefamilienbildung § Zuordnung der Produkt- und Teilefamilien zu Betriebsmittelgruppen Betriebsmittelbibliothek CAD § Bildung von Produktionsbereichen, Blocklayouterstellung § Bereichsstruktur und -anordnung optimieren, z.B. nach Material- und Informationsflussgesichtspunkten § Detaillierung des Layouts, Bestimmung der Maschinenaufstellung Geeignete Softwaretools z.B. Arbeitspläne, Produktionsprogramm, Betriebsmittelkapazitäten § FactoryCAD § Fastdesign § Modularität § Generizität § Integration § Transparenz z.B. Betriebsmittelbibliotheken z.B. Strukturierung z.B. Produkt-, Prozess- und Ressourcendaten z.B. Darstellung Blocklayout Visualisierung der Materialflüsse © WZL Anmerkungen zum Bild: Tools zur Produktionsstrukturierung unterstützen bei der Planung und Formulierung von Produktionsaufgaben. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Einteilung von Produkt- und Teilefamilien zu Betriebsmittelgruppen sowie der Bildung von Blocklayouts aus bestehenden Arbeitsplänen und Produktionsprogrammen. Die zur Strukturierung verwendeten Tools helfen dabei den Produktionsprozess zu formulieren, eine sinnvolle Gestaltung z.B. der Materialflüsse zu gewährleisten, oder die benötigten Betriebsmittel zu identifizieren und sinnvoll auszulegen. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 16 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Beispiel Fast Design FAbrikSTruktur - Design Unterstützung bei Datenaufnahme, Layouterstellung und Konzeptbildung Anwendungsbereiche § Industrial Facility Management (IFM) g ltun wa r e env Dat ll ode M 3D § Materialflussanalyse und Logistikplanung § Layoutplanung und Zeichnungserstellung § Projektverwaltung zur Verwaltung aller relevanten Dokumente § Auftragsverwaltung zur Steuerung interner und externer Wartungs- und Instandhaltungsaufträge Funktionen § Grundriss- und Layouterstellung (2D oder 3D) gen rtun e sw Au § Betriebsmittelbibliothek § Fertigungsstrukturierung mit Teilefamilien- und Fertigungsgruppenbildungen © WZL Anmerkungen zum Bild: Fast Design besteht aus zwei Modulen. Das Modul FASTPLAN dient zur Strukturierung der Fertigungsbereiche und enthält die Funktionsgruppen Teilefamilienbildung, Kapazitätsberechnung, Fertigungsgruppenbildung und die Materialflussberechnung. Das Modul FASTGRAF dient als interaktive, grafische Benutzeroberfläche und enthält die Funktionen CAD-gestützte Layouterstellung, Editier- und Planungsfunktionen und die Materialflussdarstellung durch Sankey-Diagramme. Die Aufgabe der Datenverwaltung wird durch eine integrierte Datenbankanwendung übernommen. Hierdurch wird die Erstellung von Basisdaten unterstützt, die aus den Teile-, Arbeitsplan-, Stücklisten- und Maschinendaten bestehen. FASTDESIGN unterstützt den Planer von der Datenaufnahme über die Erstellung verschiedener Layouts bis hin zur Bewertung von Konzepten auf Basis von Diagrammen und Tabellen. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 17 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Tools zur Layoutplanung Einsatzfelder der Softwaretools § Produktionsstrukturierung/ Bereichsbildung § Flächenbedarfsbestimmung/ Blocklayoutbildung § Layoutgestaltung auf der Basis von Standard-CAD-Software (2D/ 3D) Geeignete Softwaretools z.B. § FactoryCAD § Fastdesign § Fabrikplanungstisch Build-It § Modularität § Generizität § Integration § Transparenz z.B. Betriebsmittelbibliotheken z.B. Beliebiger Einsatzbereich z.B. Konfiguration der Betriebsmittel z.B. Visualisierung Planung z.B.: Elektronikproduktion © WZL Anmerkungen zum Bild: Die Layoutplanung hat die Aufgabe die Vorüberlegungen und Einzelergebnisse der Strukturund Systemplanung in Grundrisse, materialflussgerechte und räumlich definierte Form zu bringen. Dabei orientiert sie sich hauptsächlich an den geometrischen Vorgaben und den Anforderungen durch das Produktionsprogramm. Auch hier steht die Grobplanung im Vordergrund. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 18 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Beispiel: Fabrikplanungstisch Build-It Interaktive Layoutplanung im Team mit gleichzeitiger Visualisierung A D Anwendungsbereiche § Erarbeitung von Blocklayouts 3D-Ansicht § Maschinenaufstellung § Arbeitsplatzgestaltung 2D-Ansicht B Funktionen § Tisch: 2D-Projektion § Wand: 3D-Projektion § Betriebsmittelbibliothek § Anordnen von Betriebsmitteln im Layout mit „Bricks“ C z.B.: Planung der Teilefertigung © WZL Anmerkungen zum Bild: Der Build-It Planungstisch ist ein intuitiv bedienbares Fabrikplanungssystem, das eine partizipative, gruppenorientierte Fabrikplanung unterstützt. Die Beteiligten sitzen gemeinsam an einem Konferenztisch, auf dessen Oberfläche ein Grundriss der aufzubauenden oder einzurichtenden Fabrik projiziert wird. Zusätzlich wird eine benutzerdefiniert Ansicht auf eine Leinwand and der Stirnseite des Tische projiziert. Die Planer erhalten so gleichzeitig eine räumliche Ansicht dessen, was sie flächig planen. Die Interaktion mit dem digitalen Modell erfolgt mit Hilfe so genannter „bricks“, kleiner würfelförmiger Bausteine, mit denen, ähnlich einem Grafiktablett, verschiedene Planungsobjekte platziert werden können. Durch eine spezielle Bilderkennungssoftware wird das Layout auf dem Tisch abgetastet und die Position und Orientierung der „bricks“ erfasst. Die erstellten 3D-Modelle lassen sich über ein 3D-CAD-System in eine geeignete VR-Software einlesen, so dass die gemeinsam im Team aufgebauten Fabrikmodelle auch in der Großprojektion betrachtet werden können. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 19 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Tools zur Bereichs- und Arbeitsplatzgestaltung Einsatzfelder der Softwaretools § Bereichslayoutgestaltung § Materialfluss, Fördertechnik und Austaktung § Anordnung von Maschinen und Arbeitsplätzen § Arbeitsplatzgestaltung und Ergonomie § Montagegestaltung § Grafische Simulation und Kollisionsprüfung Geeignete Softwaretools z.B. § Delmia Process Engineer Bereichsgestaltung Ergonomieuntersuchung § Tecnomatix eM Power § Modularität § Generizität § Integration § Transparenz z.B. z.B. z.B. z.B. Funktionsmodule Methodenorientierung Produkt und Prozessplanung graphische Simulation Arbeitsplatzgestaltung © WZL Anmerkungen zum Bild: Tools zur Bereichs- und Arbeitsplatzgestaltung unterstützen die detaillierte Ausgestaltung der Produktion. Abhängig vom Betrachtungsbereich kann es dabei um Fragestellungen zu automatisierte Produktionsanlagen genauso wie um ergonomieorientierten Fragen bei der Gestaltung manueller Arbeitsbereiche gehen. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 20 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Beispiel: Delmia Process Engineer Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Applications Anwendungsbereiche § Konzeptentwicklung § Simulation von Fertigungsprozessen § Ressourcen und Kapazitätsplanung § Einrichtung und Überwachung der operativen Fertigung Typische Funktionsmodule § Layoutplanung § Qualitätsplanung § Ergonomie § Robotersimulation § NC-Simulation § Prozessplanung § Kostenkalkulation § Ablaufsimulation (Quest) © WZL Anmerkungen zum Bild: Der Delmia Process Engineer ist eines der umfangreichsten Fabrikplanungswerkzeuge, das angeboten wird. Im Mittelpunkt des Process Engineers steht die Produktionsfeinplanung und Bereichsgestaltung. In unterschiedlichen Modulen werden nahezu alle Aufgaben und Schritte der Fabrikplanung abgedeckt. Der Process Engineer bringt die Prozesse untereinander und innerhalb der Produktentwicklung, Produktionsplanung und Produktion in Einklang. Prozesse der Entwicklung, Planung und Produktion können so miteinander verbunden und Synergieeffekte genutzt werden. Durch diese Integrationsleistung werden Änderungen und Verzögerungen in der Entwicklung sofort in der Produktionsplanung berücksichtigt und Aufgaben der Planung können in der Prozesskette immer weiter in die Konstruktion und Entwicklung gezogen werden (Concurrent Engineering). Mit ähnlichem Umfang wie der Process Engineer wird das eM Power Softwarepaket der Firma Tecnomatix angeboten . Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 21 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Beispiel: Ergonomiegestaltung Anwendungsbereiche § Grob- und Feinplanung manueller Arbeitsplätze § Zeitabtaktung § Prüfung der Umsetzbarkeit von Aufgaben § Ergonomieanalyse Funktionen § Arbeitsplatzkonfiguration § Zeitanalysen, z.B. MTM § Ergonomieanalysen, z.B. Körperhaltung und Energieeinsatz § Field-of-Vision Analyse § Fortgeschrittene Kinematik und Bewegungsressourcen § Makros für Fast Task Modelling § Dokumentation (z.B. Ergonomieberichte und animierte Arbeitsanweisungen) Geeignete Softwaretools z.B. § Delmia Process Engineer (ErgoMas) z.B. Automobilmontage § Tecnomatix eM Human Quelle: Audi © WZL Anmerkungen zum Bild: Die ergonomiegerechte Gestaltung von Arbeitsplätzen, Fertigungs- und Montageaufgaben ist Bestandteil der Bereichs- und Arbeitsplatzgestaltung. Ergonomieuntersuchungen zielen auf eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Arbeitssystemen und eine Minderung der auf den arbeitenden Menschen einwirkenden Belastungen ab. Hierbei helfen die Simulationsprogramme, bei denen sich der Planer verschiedener Hilfsmittel bedient: z.B. helfen Anatomieelemente (z.B. Seh- und Gebrauchsblickfelder) dem Planer bei der schnellen und sicheren Auslegung eines Arbeitsplatzes. So könnten zum Beispiel Greifräume erhöhte Oberkörperbewegung erfordern und somit die Zykluszeiten erhöhen. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 22 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Beispiel: Anlagensimulation Anwendungsbereiche § Planung und Optimierung von Roboteranwendungen § Ereichbarkeits- und Kollisionsprüfung § Simulation von Bearbeitungsabläufen § Bidirektionale Konvertierung zwischen Bewegungsabläufen und steuerungsspezifischen Programmen (z.B. eM-OLP) Funktionen § Daten-Transfer mit CAD/ CAM System § 3D Visualisierung z.B. Schweißrobotersimulation Quelle: BMW § Statische und dynamische Kollisionserkennung § Roboter- und Werkstückbibliotheken § Automatische Roboterprogrammierung § Ressourcen- und Kinematikabbildung Geeignete Softwaretools z.B. § eMOLD § eMSpot z.B. Offlineprogrammierung von Robotern Quelle:Tecnomatix © WZL Anmerkungen zum Bild: Bei der Gestaltung von automatisierten Produktionsbereichen ist die Anlagensimulation ein wichtiges Hilfsmittel. Um eine Verkürzung kostspieliger Einfahrzeiten oder Testläufe zu erreichen, hilft eine Anlagensimulation dem Planer Roboter-Arbeitsstationen kollisionsfrei und ergonomisch zu gestalten. Dabei werden kritische Faktoren wie Raumbegrenzungen, geometrische Beschränkungen und Roboter-Zykluszeiten untersucht. Hierzu wird auf eine große Anzahl von Roboter- und Werkstückbibliotheken zurückgegriffen. Die Programme bieten eine direkte Übertragung der Parameter auf die Steuerprogramme der Roboter und Produktionsanlagen. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 23 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Tools zur Ablaufsimulation Einsatzfelder der Softwaretools Reales System § Abbildung und Untersuchung von Materialflüssen und Prozessketten § Bestimmung von Produktionskennwerten z.B. zur Kapazitäts- und Puffergestaltung Modellierung, Simulation § Optimierung bestehender und Planung neuer Produktionssysteme § Entwicklung und Bewertung von Steuerungsstrategien Geeignete Softwaretools z.B. § eM Plant (ehem. Simple ++) § Taylor § Arena Produktionskennwerte § Quest § Modularität § Generizität § Integration § Transparenz z.B. modulare Programmierung z.B. Modellierung z.B. Zusammenwirken der Betriebsmittel im Produktionsprozess z.B. graphische Auswertung Fall 1 Fall 2 Interpretation, Analyse, Umsetzung © WZL Anmerkungen zum Bild: Um die Leistungsfähigkeit geplanter Prozesse zu bewerten werden Programme zur Ablaufsimulation verwendet. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 24 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Beispiel: eM Plant Anwendungsbereiche § Modellierung, Simulation und Optimierung komplexer Systeme und Geschäftsprozesse § Prüfung der Umsetzbarkeit von Aufgaben § Auswahl und Anordnung von Betriebsmitteln Funktionen § Objektorientierte, grafische oder integrierte Arbeitsumgebung § Objektorientierte Bibliotheken z.B.: – „Assembly“ für Montageprozesse – „Carbody“ für Rohbauprozesse – „Paint“ für Lackierungsprozesse © WZL Anmerkungen zum Bild: eM-Plant optimiert komplexe Systeme und Geschäftsprozesse durch grafische Modellierung und realitätsnahe Simulation. Dabei werden in eM-Plant herkömmliche Konzepte wie Baustein, Sprach- und Listenprogrammierung vereint. In vordefinierten Bibliotheken sind spezifische Objekte und Produktionssysteme vorkonfiguriert, die bereits Materialfluss, Steuerungsregeln und die Ausführungsvariablen von Simulationsläufen enthalten. Durch zahlreiche Schnittstellen zur Echtzeitkommunikation mit anderer Software kann eMPlant als integrierte Simulationskomponente eines umfassenden Informationssystems verwendet werden. Die Trennung von Unternehmens-, Strategie-, System- und Prozesssimulation wurde aufgehoben. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 25 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Produktionsmanagement II V11: Digitale Fabrikplanung & Simulation n Motivation und Einführung n Grundlagen der digitalen Planung n Fabrikplanungswerkzeuge n Ausblick © WZL Anmerkungen zum Bild: Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 26 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Aktuelle Entwicklungen in der digitalen Planung § Durchgängiger Planungsworkflow ð Vermeidung von Schnittstellen- und Effizienzverlusten und vollständige Unterstützung aller Planungsschritte § Concurrent Engineering ð Sinkende Vorlaufzeiten und Vorrausplanung: Parallelisierung der Produkt- und Prozessplanung § Vollständige Abbildung ð Planung kritischer Betriebsphasen und Abbildung unstabilen Systemverhaltens, z.B. virtueller Ramp-Up § Unternehmensweite Integration ð Integration aller Interaktionsgruppen des Unternehmens: Entwicklung, Planung, Einkauf, Verkauf usw. § Integration der Supply Chain ð Supply Chain übergreifende Planungsprozesse: z.B. digitale Produktmodelle als Dienstleistung © WZL Anmerkungen zum Bild: In Zukunft wird die Bedeutung der vollständigen funktionellen und virtuellen Absicherung unternehmensübergreifender Prozesse in der Fabrikplanung wachsen. Dies bedeutet, dass die Systemfunktionalitäten der Werkzeuge weiterzuentwickeln sind, die Performance der Hardware zu steigern ist und vor allem dass Datenformate vereinheitlicht werden müssen. Es hat sich bei der Digitalen Fabrikplanung in den letzten Jahren gezeigt, dass neben der Entwicklung der IT Hard- und Software notwendig ist Unternehmensprozesse umzugestalten und den Bedürfnissen und Möglichkeiten der digitalen Planung anzupassen. Die organisatorischen Veränderungen, die mit dem Einzug der digitalen Planung einhergehen, zeigen insbesondere im Hinblick auf unternehmensübergreifende Prozessketten die Herausforderungen, die der Fabrikplanung noch bevorstehen. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 27 Produktionsmanagement II (Prof. Schuh) Vorlesung 11 Ausblick Reorganisation der Unternehmensprozesse kongruent zur digitalen Planung Annährung nicht modellierbarer Zusammenhänge Vision Gestaltung und Planung aller maschinenbaulicher Systeme auf digitaler Basis Reifegrad von Hardund Software Standardisierung und Kompatibilität der Planungswerkzeuge © WZL Anmerkungen zum Bild: Auf dem Weg zu einer vollständigen Abbildung und Planung von Produktionssystemen sind verschiedene Hürden zu überwinden. Das Bild stellt die vier Entwicklungsfelder dar. Digitale Fabrikplanung und Simulation V11 Seite 28