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E-Book

Digitale Fabrik

Fabriksimulation für Produktionsplaner

Autor	Wolfgang Kühn
Verlag	Carl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr	2006
Seitenanzahl	495 Seiten
ISBN	9783446408661
CD zum Buch	1
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	79,99 EUR

"Digitale Fabrik" bedeutet Simulation von Produktionslogistik und Produktionsprozessen. Mit Hilfe von Fabriksimulation ist es möglich, sehr frühzeitig und ohne Risiko verschiedene Szenarien durchzutesten, eventuell zu erwartende Engpässe vorab zu erkennen sowie Steuerungsstrategien vorab zu testen und zu optimieren. Das Buch zeigt dem Leser, wie er Simulationsprojekte kompetent beauftragt und betreut. Die praktische Durchführung wird von der Beauftragung, über den Ablauf und das Controlling von Simulationsstudien bis hin zur Auswertung und Übertragung der Simulationsergebnisse in die Praxis dargestellt. Mit diesem Buch können Firmen viel Geld einsparen - denn falsche oder fehlerhafte Simulationsstudien sind extrem teuer. "Digitale Fabrik" bedeutet Simulation von Produktionslogistik und Produktionsprozessen. Mit Hilfe von Fabriksimulation ist es möglich, sehr frühzeitig und ohne Risiko verschiedene Szenarien durchzutesten, eventuell zu erwartende Engpässe vorab zu erkennen sowie Steuerungsstrategien vorab zu testen und zu optimieren.

Gerade die heute erforderliche simultane Planung von Produkt, Prozess und Logistik erfordert zunehmend eine Absicherung über Simulation. Dieses Buch vermittelt die Grundlagen der Fabriksimulation, allerdings nicht mit dem Ziel selber Simulationen durchzuführen, sondern mit dem Schwerpunkt, den Anwender in die Lage zu versetzen, Simulationsprojekte kompetent beauftragen und betreuen zu können. Das Ergebnis einer Simulationsstudie ist nur so gut, wie die verwendeten Eingangsdaten und das erstellte Modell. Hier ist neben dem Spezialisten auch der Kunde gefragt. Das Buch hilft dem Leser, Ziele richtig zu definieren, Datenquellen aufzubereiten, den Prozess zu betreuen und das Ergebnis abzusichern. Neben dem Basiswissen der Fabriksimulation werden Charakteristika und Unterschiede verschiedener Simulationswerkzeuge dargestellt. Schwerpunkt des Buches sind Simulationsstudien und ihre praktische Durchführung von der Beauftragung, über den Ablauf und das Controlling von Simulationsstudien bis hin zur Auswertung und Übertragung der Simulationsergebnisse in die Praxis.

Der Autor

Prof. Wolfgang Kühn leitet den Lehrstuhl für Produktionsplanung und -steuerung an der Bergischen Universität Wuppertal. Außerdem ist er Mitgründer der SIPOC Simulation based Planning, Optimization and Control GmbH.

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Leseprobe

13 Leitfaden für Simulationsprojekte (S. 351-352)

Dieser Leitfaden dient als allgemeine Grundlage für die Vorbereitung, Durchführung und Abnahme von Simulationsstudien. Der vorliegende Leitfaden soll dazu beitragen, Simulationsprojekte standardisiert mit guter Qualität abzuwickeln. Der Leitfaden beinhaltet die Themen:

- Spezifikation und Dokumentation
- Vorgehensmodell für den Projektablauf
- Richtlinie zur Modellierung
- Programmierrichtlinien
- Richtlinie Simulationsdurchführung
- Voraussetzungen

Die aufgeführten Richtlinien sind von Mitarbeitern und Partnern bei der Durchführung von Simulationsprojekten anzuwenden und dienen als Grundlage für die Leistungserstellung. Die Einhaltung dieser Richtlinien ist bei der Abnahme zu überprüfen.

13.1 Spezifikation und Dokumentation

Im Rahmen einer Simulationsstudie ist die Spezifikation der zu erbringenden Leistung sowie ihre Dokumentation zu erstellen. Welche Leistungen in einem konkreten Projekt gefordert werden und von wem diese zu erbringen sind, ist im Lastenheft festzuschreiben.

Spezifikation

Die Spezifikation der zu erbringenden Leistungen ist eine wesentliche Voraussetzung für eine Simulationsstudie. Je nach Projektgröße kann dies als einfache Simulationsspezifikation oder bei größeren Projekten mehr formal mit den drei Dokumenten erfolgen:

- Lastenheft bzw. Ausschreibungsunterlagen (Planer)
- Pflichtenheft (Simulationsdienstleister)
- Projektplan (kann auch Teil des Pflichtenhefts sein)
- Projektdokumentation

Die Projektdokumentation beinhaltet normalerweise die folgende Punkte:

- Management-Summary (komprimierte Zusammenfassung, max. drei Seiten)
- Ergebnisdokumentation (ausführliche Dokumentation)
- Dokumentation des Projektverlaufs

Je nach Projekttyp und -umfang ist eine einfache oder eine umfangreiche Projektdokumentation zu erstellen,

Modellhandbuch

Sofern das Modell an den Anwender zur Nutzung übergeben werden soll, ist ein Modellhandbuch zu erstellen, das folgende Punkte beinhaltet:

- Modellübersicht (textuell/grafisch)
- Anleitung zum Umgang mit dem Modell
- Darstellung der Ein- und Ausgangsgrößen sowie der Stell- und Störgrößen des Modells

Wird das Modell ausschließlich vom Simulationsdienstleister eingesetzt, so kann auf ein Modellhandbuch verzichtet werden.

Modellkommentierung

Ein Modell ist grundsätzlich zu kommentieren. Die Kommentierung ist auf die geplante Benutzergruppe abzustimmen. Besondere Sorgfalt ist auf eine Code-Kommentierung gemäß definiertem Standard zu legen.

13.2 Vorgehensmodell für den Projektablauf

Eine klare Standardisierung des Projektablaufs soll eine effiziente Vorgehensweise und eine gute Qualität der Modellierung und Simulation gewährleisten. Diese einzelnen Phasen einer Simulationsstudie (Abb. 13.1) sind eng miteinander verknüpft und nicht immer klar voneinander zu trennen. Der Ablauf der Simulationsstudie gliedert sich in die drei Phasen Vorbereiten, Modellieren, Simulieren und Realisieren.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort	6
Inhaltsverzeichnis	10
1 Was ist eine Digitale Fabrik	22
1.1 Ziele der Digitalen Fabrik	26
1.1.1 Verbesserung der Wirtschaftlichkeit	27
1.1.2 Verbesserung der Planungsqualität	29
1.1.3 Transparente Kommunikation	29
1.1.4 Standardisierung von Planungsprozessen	30
1.1.5 Verbesserung der Wissensbasis	30
1.2 Aufgaben der Digitalen Fabrik	31
1.2.1 Produktentwicklung	32
1.2.2 Fabrik- und Produktionsplanung	33
1.2.3 Inbetriebnahme und Anlauf der Produktion	34
1.2.4 Produktionsbetrieb und Auftragsmanagement	34
1.3 Modelle der Digitalen Fabrik	34
1.3.1 Synergie durch Vernetzung der Modelle	36
1.3.2 Anforderungen an die Systemarchitektur der Digitalen Fabrik	38
1.4 Visualisierung der Digitalen Fabrik	38
1.5 Simulation der Digitalen Fabrik	40
1.6 Nutzen und Aufwand von Simulation	44
2 Technische Grundlagen der Simulationstechnik	48
2.1 Allgemeine Modelltheorie	48
2.1.1 Modellbegriff	49
2.1.2 Grundsätzliches zum Modellieren von Systemen	51
2.1.3 Qualitatives Modellieren von Systemen	53
2.1.4 QuantitativeModellkonzepte für dynamische Systeme	56
2.2 Vorgehensweise der Systemabgrenzung und Systemanalyse	60
2.2.1 Systemabgrenzung	62
2.2.2 Analyse des Systemzwecks und der globalen Systemeigenschaften	62
2.2.3 Analyse der Systemstruktur	63
2.2.4 Analyse der einzelnen Systemelemente	64
2.2.5 Wirkungsanalyse und Analyse der Ablaufstruktur	64
2.2.6 Darstellung der Analyse und Modellierung	65
2.3 Discrete-Event-Simulation	67
2.4 3D-Kinematik-Simulation	68
2.5 Mehrkörpersimulation	69
2.6 Prozesssimulation	70
3 Simulationsanwendungen der Digitalen Fabrik	74
3.1 Dezentrale Anwendungen mit zentraler Datenhaltung	75
3.2 Hierarchisches Modellierungskonzept	76
3.3 Layoutplanung und Simulation zur Layoutbewertung	78
3.4 Statische Untersuchung von Logistik- und Produktionsflüssen	80
3.5 Dynamische Simulation von Logistik- und Produktionsflüssen	81
3.6 Simulation zur Ermittlung der Systemverfügbarkeit	83
3.7 Planung und Simulation der Montageprozesse	84
3.7.1 Integrierte Datenplattform zur Montageplanung	84
3.7.2 Montagevisualisierung und -simulation	85
3.8 Robotik und komplexe Bewegungen	86
3.8.1 Robotermodellierung	87
3.8.2 Planung automatisierter Roboterzellen	91
3.8.3 Offline-Programmierung	93
3.9 Simulation in der Teilefertigung	95
3.10 Simulation von Personal	97
3.10.1 Simulation der Personallogistik	98
3.10.2 Personalorientierte Simulation	101
3.10.3 Ergonomie-Simulation	103
3.11 Simulation von Betriebsmittelbau und -logistik	104
3.12 Simulation in der Automatisierungstechnik	106
3.13 Simulation im operativen Betrieb	110
3.13.1 Überprüfung des aktuellen Produktionsprogramms und der Produktionsplanung	112
3.13.2 Verbesserung der Feinplanung und Produktionssteuerung	113
3.13.3 Operative Simulation zum kontinuierlichen Redesign der Fabrik	114
3.13.4 Anspruch an Modelle für den operativen Betrieb	115
3.13.5 Daten und Schnittstellen für die operative Simulation	116
3.13.6 Nutzer operativer Simulation	117
3.14 Referenzmodelle	118
4 Simulationsstudien	120
4.1 Prinzipieller Ablauf von Simulationsstudien	120
4.1.1 Systemdefinition, Zielfestlegung und Lastenheft	122
4.1.2 Modellentwurf	123
4.1.3 Implementierung des Modells	124
4.1.4 Modellverifikation	125
4.1.5 Datenbeschaffung	126
4.1.6 Validierung	128
4.1.7 Simulationsversuchsplanung	132
4.1.8 Durchführung Simulationsläufe	137
4.1.9 Laufbetrachtung und Ergebnisauswertung	137
4.1.10 Systemvariation und Optimierung	140
4.1.11 Praktische Umsetzung der Simulationsergebnisse	141
4.2 Typische Fehler vermeiden	141
5 Lastenheft, Pflichtenheft und Spezifikation	146
5.1 Lastenheft	147
5.1.1 Spezifikation der Anforderungen	148
5.1.2 Voraussetzungen und Rahmenbedingungen für die Leistungserstellung	149
5.1.3 Anforderungen an den Auftragnehmer	150
5.1.4 Anforderungen an das Projektmanagement	150
5.1.5 Vertragliche Konditionen	150
5.1.6 Unternehmen, Zuständigkeiten und Ansprechpartner	151
5.2 Pflichtenheft	151
5.2.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung	153
5.2.2 Eingangsdaten und Eingangsvoraussetzungen	153
5.2.3 Leistungsbeschreibung des Simulationsmodells	155
5.2.4 Spezifikation der Simulationsszenarien und Simulationsexperimente	157
5.2.5 Ergebnisdarstellung und Auswertung	158
5.2.6 Lieferumfang	158
5.2.7 Abnahmekriterien	160
5.2.8 Projektterminplan und Projektcontrolling	160
5.2.9 Projektumfeld	160
6 Datenmanagement für Simulationsanwendungen	162
6.1 Merkmale zur Beurteilung von Information	163
6.2 Aufgaben des Datenmanagements	163
6.3 Datenerhebung und Messen	164
6.4 Simulationsdatenbasis	164
6.5 Eingangsdaten für die Simulation	165
6.5.1 Technische Daten der Produktions- und Logistiksysteme	167
6.5.2 Daten der Produktionsplanung und -steuerung	170
6.5.3 Organisationsdaten	172
6.5.4 Kostendaten (optional)	173
6.6 Datenaufbereitung stochastischer Daten	173
6.6.1 Logiken von Anlagen- und Maschinensteuerungen	174
6.7 Ergebnisdaten	175
7 Versuchsplanung, Simulationsdurchführung und Auswertung der Simulationsergebnisse	176
7.1 Statistische Experimentplanung	177
7.2 Experimentplan	178
7.3 Durchführung der Simulationsläufe	179
7.4 Auswertung der Simulationsergebnisse	180
7.4.1 Datenaufbereitung	180
7.4.2 Statistische Auswertung	181
7.4.3 Interpretation der Ergebnisdaten	182
7.4.4 Bewertung von Varianten	183
7.5 Grafische Darstellung von Simulationsergebnissen	184
8 Optimierung mit Hilfe von Simulation	192
8.1 Grundsätzliche Vorgehensweise	194
8.1.1 Parameteroptimierung	195
8.1.2 Kombinatorische Optimierung und Reihenfolgenoptimierung	196
8.2 Gütefunktion zur Systembewertung	196
8.3 Optimierungsverfahren	197
8.3.1 Technik der iterativen Verbesserung	197
8.3.2 Rastersuche	198
8.3.3 Gradienten- und stochastische Verfahren	198
8.3.4 Genetische und evolutionäre Algorithmen	200
8.4 Auswahl eines geeigneten Optimierungsverfahrens	202
8.5 Kopplung von Simulation und Optimierung	203
9 Simulation als integriertes Werkzeug der Digitalen Fabrik	206
9.1 Planungsaspekte beim Einsatz von Simulation in der Digitalen Fabrik	208
9.1.1 Organisatorische Aspekte	209
9.1.2 Zeitliche Aspekte	209
9.1.3 Betriebswirtschaftliche Aspekte	210
9.1.4 Technische Voraussetzungen	210
9.1.5 Qualität der Ergebnisse	211
9.1.6 Psychologische Aspekte	211
9.2 Vorbereitungsphase	212
9.2.1 Analyse der Einsatzfelder	212
9.2.2 Istanalyse	213
9.2.3 Verfügbare Planungs- und Simulationswerkzeuge	213
9.3 Konzepterstellung	214
9.3.1 Definition der Planungsprozesse	214
9.3.2 Projektorganisation	214
9.3.3 Systemarchitektur	216
9.3.4 Personalquali.kation	217
9.3.5 Pilotanwendung	217
9.3.6 Konzeptbewertung	218
9.4 Umsetzung der Digitalen Fabrik	218
9.5 Systemisches Denken und Handeln	219
9.5.1 Vernetztes Denken	219
9.5.2 Denken in Modellen	220
9.5.3 Dynamisches Denken	221
9.5.4 Systemgerechtes Handeln	222
10 Softwarewerkzeuge	224
10.1 Klassifikation von Simulationswerkzeugen	224
10.1.1 Simulatoren auf Sprachkonzeptebene	224
10.1.2 Bausteinsimulatoren	225
10.1.3 Multi-Level-Simulatoren	226
10.1.4 Softwaretechnologie	227
10.2 Historische Entwicklung der Fabriksimulatoren	228
10.3 Digital Factory Solution von DELMIA	230
10.3.1 Produkt- und Prozessstrukturierung, Fertigungsgestaltung, Logistik und Optimierung	234
10.3.2 Dynamische Ergonomieuntersuchungen	241
10.3.3 Teilefertigung	246
10.3.4 DELMIA DPM V5 Machining	247
10.3.5 Robotik	247
10.3.6 Automatisierungstechnik	252
10.3.7 Geometrieorientierte Montageplanung	253
10.3.8 Operative Produktionsplanung	255
10.3.9 Integration und Managementinformationssystem	257
10.4 Digital Factory Solution von UGS	258
10.4.1 Fabriklayout Logistik und Optimierung	261
10.4.2 Ergonomieuntersuchungen	271
10.4.3 Teilefertigung	273
10.4.4 Robotik und Steuerungsprogrammierung	278
10.4.5 Montageplanung	283
10.4.6 Operative Produktionsplanung	286
10.4.7 Produktionsmanagement	288
10.4.8 Integration und Managementinformationssystem	292
10.5 Weitere Fabriksimulationswerkzeuge	295
10.5.1 Arena	296
10.5.2 AutoMod	297
10.5.3 AutoSched/AutoSched AP	298
10.5.4 Enterprise Dynamics	298
10.5.5 Flexsim	299
10.5.6 ProModel	299
10.5.7 WITNESS	300
11 Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik	302
11.1 Wahrscheinlichkeit	302
11.2 Zufallsvariable	303
11.2.1 Diskrete Zufallsvariablen	303
11.2.2 Kontinuierliche Zufallsvariablen	303
11.3 Wahrscheinlichkeitsverteilung	304
11.4 Kennzahlen	304
11.5 Stochastische Verteilungen für Simulationsanwendungen	307
11.6 Gleichverteilung (diskret)	308
11.6.1 Beispiel Würfeln	309
11.7 Gleichverteilung (kontinuierlich)	310
11.8 Normalverteilung	311
11.9 Logarithmische Normalverteilung	313
11.10 Exponentialverteilung	316
11.11 Weibull-Verteilung	317
11.12 Pearson Type V	319
11.13 Dreiecksverteilung	321
11.13.1 Anwendung von Verteilungen	322
11.14 Methoden der statistischen Datenanalyse	323
11.14.1 Parameterabschätzung	323
11.14.2 Goodness-of-Fit-Tests	324
11.14.3 Chi-Square-Test	325
11.14.4 Kolmogorov-Smirnov-Test	325
11.15 Statistische Absicherung von Simulationsergebnissen	327
11.15.1 Analyse zur Ermittlung des eingeschwungenen Zustandes	327
11.15.2 Analyse der Ergebnisse eines einzelnen Systems	329
11.15.3 Vergleich alternativer Systemkonfigurationen	329
11.16 Tabelle t-Verteilung	331
11.17 Verwendete Formelzeichen	333
11.18 Materialien für die Praxis	334
12 Lastenheft und Ausschreibungsunterlage	336
12.1 Spezifikation der Anforderungen	338
12.1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung der Simulation	338
12.1.2 Layout und Systemgrenzen	338
12.1.3 Technische Daten der Produktions- und Logistikmodule	339
12.1.4 Materialfuss	340
12.1.5 Anforderungen an das Modell	343
12.1.6 Zu untersuchende Szenarien und Simulationsexperimente	346
12.1.7 Anforderungen an die Auswertung und Ergebnisdarstellung	349
12.1.8 Anforderung an den Lieferumfang	350
12.1.9 Modellintegration	355
12.1.10 Projektterminplan	356
12.2 Voraussetzungen und Rahmenbedingungen für die Leistungserstellung	357
12.2.1 Eingangsdaten für die Simulation	357
12.2.2 Vorhandene Planungsergebnisse	365
12.2.3 Simulationswerkzeuge und Bausteinbibliotheken	365
12.2.4 Entwicklungs- und Qualitätsvorgaben	365
12.3 Anforderungen an den Simulationsdienstleister	366
12.4 Anforderungen an das Projektmanagement	367
12.5 Vertragliche Konditionen	367
12.5.1 Abnahmekriterien	367
12.5.2 Rechte am Modell	367
12.5.3 Vertraulichkeit, Rückgabe, Copyright	368
12.6 Zuständigkeiten, Ansprechpartner und Planungsumfeld	368
12.6.1 Organisationsstruktur des Auftraggebers	368
12.6.2 Rückfragen zu den Ausschreibungsunterlagen	370
12.6.3 Angebotsabgabe	370
12.6.4 Geschäftsbedingungen	370
13 Leitfaden für Simulationsprojekte	372
13.1 Spezifikation und Dokumentation	372
13.2 Vorgehensmodell für den Projektablauf	373
13.3 Modellierungsrichtlinie	377
13.3.1 Allgemeines zur Modellierung	377
13.3.2 Modell- und Ordnernamen	378
13.3.3 Dateibezeichnung	378
13.3.4 Modellstruktur	378
13.3.5 Aufbau der Klassenbibliothek	378
13.3.6 Aufbau der Modellnetzwerke	380
13.3.7 Datenverwaltung	383
13.4 Programmierrichtlinie	384
13.4.1 Allgemeines zur Programmierung	384
13.4.2 Methodendokumentation	384
13.4.3 Variablenbenennung	385
13.5 Richtlinie Simulationsdurchführung	386
13.5.1 Experimentplan	386
13.5.2 Verwendung von stochastischen Verteilungen (Seed-Werten)	386
13.6 Voraussetzungen	387
13.6.1 Einzusetzende Softwarewerkzeuge	387
13.6.2 Organisation, Zuständigkeiten und Ansprechpartner	387
13.6.3 Gültigkeit dieser Richtlinie	388
14 Checklisten	390
14.1 Checkliste Simulationsstudien	390
14.2 Checkliste zur Leistungsbeschreibung des Lastenheftes	395
14.3 Checkliste zur Leistungsbeschreibung des Pflichtenheftes	396
14.4 Checkliste Eingangsdaten für die Simulation	398
14.5 Checkliste Simulationsdokumentation	401
14.6 Checkliste zur Abnahme von Simulationsstudien	404
14.7 Checkliste Simulatorauswahl	406
14.7.1 Simulationsprinzip	408
14.7.2 Größe und Struktur der Modelle	408
14.7.3 Modellierung	409
14.7.4 Modellelemente	409
14.7.5 Bausteinbibliotheken und Applikationsmodule	410
14.7.6 Steuerungen und Informationsverarbeitung	411
14.7.7 Modellparameter – stochastische Verteilung	412
14.7.8 Funktionalitäten zur Bewegungssimulation	413
14.7.9 Einschränkungen bei der Modellierung	414
14.7.10 Modelldokumentation	415
14.7.11 Unterstützung bei Verifikation und Validierung	415
14.7.12 Organisation von Simulationsexperimenten und Optimierung	416
14.7.13 Durchführung von Simulationsläufen	417
14.7.14 Laufbetrachtung und Visualisierung	418
14.7.15 Ergebnisauswertung und Ergebnisdarstellung	419
14.7.16 Systemintegration und Schnittstellen	420
14.7.17 Benutzerschnittstelle	421
14.7.18 Systemanforderungen	421
14.7.19 Schulung und Service	422
14.7.20 Kosten	423
14.7.21 Softwareanbieter	424
15 Weiterführende Informationen	426
15.1 Glossar	426
15.2 Abkürzungsverzeichnis	442
15.3 Schnittstellen und Datenaustauschformate	448
15.4 Anbieter von Simulationssoftware	452
15.5 Organisationen	456
15.6 Regelmäßige Konferenzen	458
15.7 Technische Regeln, Literatur und Links	459
15.8 Literatur	461
Stichwortverzeichnis	488
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