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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