Die ganze Fabrik im Simulationsmodell - Institut für Maschinelle ...

Uwe Bracht, Clausthal, und Matthias Hagmann, München
Die ganze Fabrik im Simulationsmodell
- Ein neuer Ansatz hierarchischer Gesamtmodellierung
Abstract:
Die erhöhten Ansprüche an die Planung von Automobilproduktionen im turbulenten Umfeld
erfordern eine effiziente projektbegleitende Unterstützung und eine durchgehende
rechnergestützte Absicherung von Teilergebnissen der Fabrik- und Anlagenplanung.
Das hier vorgestellte hierarchische Gesamtmodell einer Fabrik bzw. eines Werkes ist Teil des
integrierten Ebenenkonzeptes, welches zum Ziel hat, die unterschiedlichen
Simulationsmodelle, die im Laufe eines umfangreichen Planungsprojektes von den
verschiedenen Planungsteams erarbeitet werden ganzheitlich zu integrieren.
Das hierarchische Gesamtmodell ermöglicht es frühzeitig bereichsübergreifende Fragen zu
berücksichtigen und zu beantworten, wie z.B. die Produktionsstruktur eines Werkes
hinsichtlich der dynamischen Atmungsfähigkeit zu beurteilen ist, wie die Verknüpfungen
zwischen den Fertigungsbereichen zu dimensionieren und Steuerstrategien zu bewerten sind.
Grundlage für die Erstellung des Gesamtmodells ist eine Black-Box-Methodik, die das
dynamische Verhalten der Produktionsbereiche hinreichend genau beschreibt.
1. Einleitung
Durch die erhöhten Anforderungen an die Fabrikplanung bzgl. der Planungsflexibilität, des
Planungszeitraums und der Planungsqualität ist es unumgänglich, eine durchgängige
rechnergestützte Unterstützung und ganzheitliche Absicherung der Teilergebnisse
durchzuführen. Insbesondere das dynamische Verhalten der Anlage ist zu berücksichtigen und
zu verbessern. Als ein hierfür geeignetes Werkzeug hat sich die Simulation in vielen
Teilbereichen der Planung herausgestellt [1].
Die detaillierte Materialfluß-Simulation, die Produktions- und Logistiksysteme in ihrem
dynamischen Verhalten bzgl. Funktionen, Störungen und Steuerungen abbildet, ist in der
Fabrik- und Anlagenplanung fest etabliert. Der Nutzen der Materialfluß-Simulation ist bei
vielen Planern bekannt und wird hoch eingeschätzt [2,3,4].
Die Akzeptanz der Simulation auf der einen Seite und die stetig wachsenden Anforderungen
an die Fabrik- und Anlagenplanung auf der anderen Seite führen dazu, daß der Einsatzbereich
der Simulation permanent zunimmt und daß stets weitergehende Fragestellungen an die
Simulation und die Simulationsmodelle formuliert werden. So ist es mittlerweile fast üblich,
daß bei komplexen Aufgabenstellungen die beteiligten Planungsteams ein jeweiliges
Simulationsmodell erstellen oder erstellen lassen, welches ihren ganz eigenen Fragestellungen
genügt.
Durch die häufig schnelle und differenzierte Aufgabenteilung zwischen den Projektteams bei
der Neu- oder Umplanung einer ganzen Fabrik, gerät die Frage nach dem Zusammenspiel der
Fertigungsbereiche und das daraus resultierende dynamische Verhalten des gesamten Werkes
gerne in Vergessenheit. Gerade die Koordination der Fertigungsbereiche und die Planung von
1

ereichsübergreifenden Systemelementen verlangt nach einem Simulationsmodell, das das
gesamte Werk als System abbildet. Um diesem Anspruch gerecht zu werden wurde eine
Modellierungsmethode entwickelt, mit deren Hilfe ein hierarchisches Gesamtmodell des
Werkes erstellt werden kann. Wichtig ist dabei die Offenheit der Modellierung bezüglich der
Integration von Planungsergebnissen der einzelnen Projektteams.
Durch die arbeitsteilige Vorgehensweise entstehen im Laufe eines komplexen
Planungsprojektes so mehrere voneinander unabhängige Simulationsmodelle, deren
Abstraktionsgrad, Systemgrenzen und berücksichtigte Einflußgrößen den jeweils
unterschiedlichen Fragen des Planungsbereichs entsprechen. Dem Planungsgrundsatz „vom
Groben ins Feine“ (top-down) folgend [5], werden dann auch die Fragestellungen und somit
auch die Simulationsmodelle im Laufe des Projektverlaufs wechseln. Im Allgemeinen wird
ein möglicher horizontaler oder vertikaler Zusammenhang zwischen den Simulationsmodellen
nicht genutzt, und jedes Planungsteam hinterlegt seinem Modell eigene Daten und Annahmen.
Dies führt nicht selten zu unterschiedlichen Annahmen und Randbedingungen bzw. zu
Datenredundanzen und somit auch leicht zu Differenzen zwischen den Planungsteams. Hinzu
kommt, daß in den Modellen aufgrund mangelnder Kenntnis teilweise vereinfachte
Annahmen getroffen werden, welche in anderen Modellen exakt ermittelbar wären.
Aus diesen Gründen liegt in der Integration unterschiedlicher Simulationsmodelle ein nicht zu
unterschätzendes Synergiepotential. Die Simulationsmodelle und deren Abstimmung haben
sich bereits als ein wertvolles Kommunikationsmittel zwischen den Fertigungsbereichen
bestätigt.
Um strategische Nutzeffekte der Simulation in der Fabrik- und Anlagenplanung systematisch
zu verstärken und zu konzentrieren wurde jetzt ein integriertes Ebenenkonzept entwickelt.
Das hierarchische Gesamtmodell, das ein gesamtes Werk abbildet, ist Teil des integrierten
Ebenenkonzeptes.
2. Das integrierte Ebenenkonzept der Fabriksimulation
Das integrierte Ebenenkonzept der Fabriksimulation beinhaltet die in Bild 1 beschriebenen
Betrachtungsebenen. Jeder Betrachtungsebene kommt im Planungsprozeß eine eigene
Bedeutung zu. Keine der aufgezeigten Betrachtungsebenen steht für sich alleine, sondern
bezieht Input-Parameter aus den über- bzw. unterlagerten Simulationsmodellen.
Das integrierte Ebenenkonzept koordiniert und integriert die beteiligten Simulationsmodelle
durch die zentrale Verwaltung der Daten, welche von mehreren Modellen benötigt werden.
Ferner koordiniert das integrierte Ebenenkonzept die Ergebnisgrößen, die wiederum für
andere Simulationsmodelle Eingangsgrößen darstellen.
2

Konzern:
Konzernstrategie, Werkeverbund
HRL
HRL
FS
Werk:
Zusammenwirken der Fertigungsund
Montagebereiche
Rohbau
Lack
Montage
Produktionsbereich:
Fertigungsabläufe und
Materialfluß
Die Fragestellung
bestimmt den
Abstraktionsgrad des Modells
Die Synergie-Effekte
liegen in der Integration
der Modell-Ebenen
Anlage:
Funktions- und
Kollisions-Betrachtungen
Bild 1: Das integrierte Ebenenkonzept der Fabriksimulation
Komponente:
Einzelprozeß
Den Zusammenhang der Parameter zeigt das Beispiel einer Bearbeitungsstation, welche in der
3-D-Simulation sehr exakt durch die Geometrie und die Steuerung abgebildet werden kann.
Neben Aussagen über Funktionen und möglichen Kollisionen können mit Hilfe dieser
Simulation auch Größen wie zum Beispiel Bearbeitungszeiten, Taktzeiten, Rüstzeiten und das
Störverhalten der Anlage untersucht werden.
Die selbe Bearbeitungsstation ist Teil der Materialfluß-Simulation, die den Gesamtablauf des
Fertigungsbereiches abbildet. In diesem Modell wird die Bearbeitungsstation nur noch
vereinfacht dargestellt und durch charakteristische Zeiten beschrieben, die sich aus den o.a.
Ergebnisgrößen der 3-D-Simulation herleiten lassen.
Somit werden aus diesen Ergebnisgrößen Eingangsgrößen für die Materialfluß-Simulation des
gesamten Produktionsbereiches.
3. Die Abbildung des Werkes im hierarchischen Gesamtmodell
Das hierarchische Gesamtmodell ist Teil des integrierten Ebenenkonzeptes und ermöglicht
bereichsübergreifende Themen frühzeitig zu bearbeiten.
Vor allem das dynamische Zusammenwirken der Produktionsbereiche (z.B. Rohbau, Lack,
Montage) muß während des Planungsprojektes stets überprüft und abgestimmt werden. Mit
fortschreitendem Projektverlauf nimmt die Kenntnis über die geplante Fabrikanlage stetig zu.
Die weiterentwickelten Daten fließen in das Gesamtmodell mit ein und erhöhen stetig das
dynamische Systemverständnis. Somit können fortlaufend Ergebnisse der einzelnen
Planungsteams und ihre Auswirkungen auf das Gesamtsystem dargestellt und koordiniert
werden. Zielkonflikte zwischen den Planungsteams, die früher erst bei der Realisierung
sichtbar wurden, werden jetzt rechtzeitig identifiziert und ihre Auswirkungen werden
aufgezeigt. Durch ein frühzeitig abgestimmtes und gemeinsam erarbeitetes Gesamtoptimum
kann die Gesamtqualität erheblich erhöht werden.
Wesentliche Aufgabenstellungen, die insbesondere mit dem Gesamtmodell bearbeitet werden
können, lassen sich in drei Kategorien einteilen:
3

Werksstruktur: Bereits in der Konzeptphase eines Fabrikplanungsprojektes müssen Fragen
bezüglich der Werksstruktur beantwortet werden, die das Gesamtverhalten der Anlage
wesentlich bestimmen, wie z.B. die Art und die Anzahl der Montagelinien. Außerdem sind
z.B. Ort, Art und Größe von Sortier- und Entkopplungsspeichern von weitreichender
Bedeutung für das dynamische Verhalten der Gesamtanlage.
Fertigungsabläufe / Steuerstrategien: Strategien zur Erreichung der Planungsziele wie zum
Beispiel große Flexibilität, kurze Durchlaufzeiten und hohe Termintreue sind schon in einer
sehr frühen Projektphase zu definieren und zu bewerten, da sie einen großen Einfluß auf die
Ausplanung der Werksstrukturen haben. So führt z.B. eine Flexibilität, die durch
unterschiedliche Arbeitszeitmodelle in den Fertigungsbereichen erzielt werden soll, zu
entsprechenden Auswirkungen auf die Größe der Entkopplungspuffer.
Ist-Analyse: In einem schon bestehenden Werk überlagern sich Effekte aus der
Programmsteuerung, dem dynamischen Verhalten der Produktionsbereiche und aus dem
Umfeld der Fertigung. Das Gesamtmodell hat sich hier bereits jetzt als ein wirkungsvolles
Instrument erwiesen, diese Einflüsse zu untersuchen und zu quantifizieren, da Einzeleinflüsse
im Simulationsmodell z.B. beliebig zu- oder abgeschaltet werden können. Ebenso können
grundsätzliche Programmänderungen für das bestehende Werk am Modell dargestellt und
bewertet werden, ohne in den laufenden Betrieb eingreifen zu müssen.
3.1. Der Modellaufbau
Den prinzipiellen Aufbau eines Gesamtmodells am Beispiel eines Automobilwerkes zeigt
Bild 2. Die Produktionsbereiche Rohbau, Lack und Montage werden dabei als Black Box
modelliert.
Aufbau des Modells auf der Werkeebene:
Arbeitszeitmodell:
Arbeitszeitmodell:
Pausen,
Pausen,
Instandhaltung, ...
Instandhaltung, ...
FS
Fertigungssteuerung:
Fertigungssteuerung:
HRL
HRL
Auftragsreihenfolge,
Produktmix
Rohbau
Lack
Montage
Durchlaufzeiten,
Verwirbelung
Black
Black
Box:
Box:
DLZ-Verhalten,
DLZ-Verhalten,
Verwirbelung,
Verwirbelung,
Störverhalten,
Störverhalten,
Taktzeit,
Taktzeit,
...
...
Hochregallager:
Hochregallager:
Auslagerstrategie,
Auslagerstrategie,
Taktzeit,
Taktzeit,
Kapazität,
Kapazität,
...
...
Bild 2: Struktur des Gesamtmodells
Grundvoraussetzung für diese Art der Modellierung ist die Fähigkeit, das dynamische
Verhalten der Fertigungsbereiche in ausreichender Genauigkeit zu abstrahieren. Hierzu wurde
die Black-Box-Methodik entwickelt, die die Systemgrößen der Black Box definiert und
beschreibt.
Die Förderwege zwischen den Produktionsbereichen und die Sortierspeicher werden
detaillierter durch die Angabe von Taktzeiten, Störverhalten und Kapazität parametrisiert.
Ebenso wird das Arbeitszeitmodell, welches für jeden Fertigungsbereich unterschiedlich sein
kann, möglichst genau dargestellt.
4

Besondere Beachtung gebührt der Fertigungssteuerung, die ebenfalls in detaillierter Form
abzubilden ist. Zur Fertigungssteuerung zählt beim Gesamtmodell die Strategie der
Auftragseinlastung, der Sortieralgorithmus für die Sortierspeicher sowie die Art und der Ort
der Variantenbildung.
Diese detailliert beschriebenen Elemente beinhalten die Stellparameter, die mit den
Fragestellungen der Gesamtsimulation verbunden sind.
3.2. Die Black-Box-Methodik
Abstraktion bedeutet in der ereignisorientierten Simulation stets eine Reduktion von
Ereignissen und Zuständen [6]. Bei einer Black Box werden die gesamten Ereignisse und
Zustände, die ein Werkstück in einem Fertigungsbereich durchläuft, auf das Eintritts- und
Austrittsereignis bzw. auf den Eintritts- und Austrittszustand reduziert. Der Eintritts- bzw.
Austrittszustand des Werkstückes kann aus dem Fertigungsprozeß abgeleitet werden und wird
deswegen in den weiteren Betrachtungen vernachlässigt.
Auf der Betrachtungsebene des Gesamtmodells ist ausschließlich das Übertragungsverhalten
des Fertigungsbereiches zwischen Eintritt und Austritt eines Werkstückes von Interesse.
Dieses Übertragungsverhalten läßt sich auch durch die Frage ausdrücken: Wann betritt und
wann verläßt das Werkstück den Fertigungsbereich und wie verändert sich die Reihenfolge
bezüglich der zeitlich benachbarten Aufträge.
Von außen betrachtet läßt sich die Black Box durch das Eingangs- und Ausgangsverhalten
beschreiben. Das Eingangsverhalten ist für die vorgelagerten Fertigungsbereiche von
Bedeutung, das Ausgangsverhalten für die nachfolgenden. Ferner wird das
Übertragungsverhalten für jedes einzelne Werkstück durch die Durchlaufzeit, die
Verwirbelung bezüglich der Eingangssequenz und die Systembefüllung beschrieben. Die
Durchlaufzeit ist die Zeitdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittsereignis. Dabei muß
unterschieden werden, ob es sich um eine reine Arbeitszeit, die z.B. von Pausen bereinigt
wurde, oder die reale Durchlaufzeit handelt. Die Verwirbelung beschreibt die relative
Austrittsposition des Werkstückes bezüglich seiner Eintrittsposition zu den anderen
Werkstücken. Die Systembefüllung gibt an, wieviele Werkstücke sich gleichzeitig in der
Black Box befinden.
Durch diese fünf Systemgrößen kann das dynamische Verhalten einer Black Box (Bild 3)
hinreichend für die oben dargestellten Aufgabenstellungen beschrieben werden.
5

Systembefüllung
Verwirbelung
Durchlaufzeit
Eingangsverhalten
Ausgangsverhalten
Fertigungseinheit
Black Box
Bild 3: Beschreibungsgrößen der Black Box
Die fünf Größen sind jedoch nicht unabhängig von einander; z.B. bestimmen Ein- und
Ausgangsverhalten den Verlauf der Systembefüllung, die mittlere Durchlaufzeit wird von der
mittleren Taktzeit und der mittleren Systembefüllung beschrieben, die Form der
Durchlaufzeitverteilung wird durch die Verwirbelung beeinflußt.
Die komplexe Abhängigkeit zwischen den Systemgrößen hat zur Folge, daß die Black Box
mit der Angabe aller Größen überbestimmt ist. Je nach Art der Beschreibung reichen weniger
Beschreibungsgrößen aus um die Black Box zu parametrisieren. So genügt die exakte
Beschreibung der Zeitreihen der Durchlaufzeiten und der Eingangstakte. Ausgangstakte,
Systembefüllung und Verwirbelung stellen sich danach selbst ein, da sie aus dem
Eingangstakt und der Durchlaufzeit abgeleitet werden können.
Neben der Beschreibung der Systemgrößen durch Zeitreihen können sie auch durch ihre
statistische Verteilung angegeben werden. Den dadurch entstehenden Informationsverlust, im
Vergleich zu Zeitreihen, wird durch Angabe mehrerer Systemgrößen kompensiert. Mit der
Umsetzung der Black-Box-Methodik auf einem Simulator wird der generierte Baustein durch
das Eingangs- und Ausgangsverhalten, der Systembefüllung und das Verwirbelungsverhalten
beschrieben. Das Durchlaufzeitverhalten ist bei diesem Baustein eine Größe, welche sich
selbst einstellt und somit zur Verifikation der hinterlegten Größen herangezogen werden kann.
Das für sich betrachtete Verhalten eines Fertigungsbereiches kann wie oben dargestellt
beschrieben werden. Allerdings ist dessen gesamte dynamische Verhalten von einer großen
Anzahl äußerer Einflüsse abhängig, die auf die fünf Systemgrößen ebenfalls einen wichtigen
Einfluß ausüben. Solche Einflüsse sind zum Beispiel der Auftragsmix, die Systemlast, die
unterschiedlichen Arbeitsinhalte bei unterschiedlichen Werkstücktypen oder auch eine
gestörte Ver- oder Entsorgung des Fertigungsbereichs.
Die Auswirkung dieser Einflüsse auf die fünf Systemgrößen muß separat bestimmt und
beschrieben werden.
Die hierarchische Gesamtsimulation wurde bisher für die Abbildung von Automobilwerken
konzipiert. Solche Fertigungssysteme zeichnen sich in der Regel durch konstante
Systemauslastung und stabilen Auftragsmix aus. Ferner sind die Produktionsbereiche
ausreichend entkoppelt bzw. ist das Systemverhalten bei gestörter Ver- oder Entsorgung
6

elativ einfach zu beschreiben. Die typspezifischen Arbeitsinhalte und die daraus resultierende
typspezifische Durchlaufzeit muß jedoch auch bei dieser Art der Fertigung abgebildet werden.
Die Beschreibung der oben dargestellten Systemgrößen erfolgt rein statistisch in Form von
Histogrammen. Die Verfügbarkeit bzw. das Störverhalten ist in der Beschreibung des
Eingangs- bzw. Ausgangsverhalten implizit enthalten.
3.3. Beschreibungsmöglichkeiten der Black Box
Während des Projektverlaufs ändert und erweitert sich die Datenbasis für die Planung. Aus
diesem Grund ist die Möglichkeit, die Black Boxes der Produktionsbereiche aus
unterschiedlichen Datenbasen zu beschreiben, Voraussetzung für eine projektbegleitende
Gesamtsimulation.
Simulationsergebnisse
BDE-
Daten
FS
Realdaten
Plan- /
Schätzdaten
Rohbau
HRL
Lack
HRL
M ontage
Gesamtsimulation
Detail-
Simulation
Bild 4: Jeweilige Eingangsdaten für das Gesamtmodell
In der Definitionsphase des Projektes liegt noch keine genaue Systemkenntnis der einzelnen
Produktionsbereiche vor. Es können jedoch aus den Vorgaben schon Beschreibungsgrößen
abgeleitet oder abgeschätzt werden. Diese geschätzten Beschreibunsgrößen dienen zum
Aufbau des Gesamtmodells. Existiert im Unternehmen schon eine ähnliche Anlage, die den
Vorgaben und der Fertigungsstruktur der geplanten Anlage entspricht, so können in dieser
Phase die gemessenen Real-Daten dieser Vergleichsanlage der Gesamtsimulation zugrunde
gelegt werden unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Kapazitäten etc..
Bei weiterem Planungsfortschritt werden von den Produktionsbereichen Detailmodelle
erstellt, deren Simulationsergebnisse dann den Black Boxes zugrunde gelegt werden. Somit ist
gewährleistet, daß die vertiefte Systemkenntnis, welche aus den fortschreitenden Planungen
resultiert, stets in das Makromodell integriert werden kann und die Ergebnissicherheit des
Gesamtmodells stetig zunimmt (Bild 4).
Nach der Realisierung und Inbetriebnahme der Gesamtanlage werden die Simulationsmodelle
mit der Realität verglichen. Für weitere Betrachtungen, zum Beispiel bei Änderungsplanungen
oder Betriebsoptimierungen, können von nun an die gemessenen Real-Daten des Werks dem
Gesamtmodell zugrunde gelegt werden.
7

4. Fazit und Nutzen
Verschiedene Projekte im Bereich der Fabrik- und Anlagenplanung konnten bereits mit Hilfe
dieses Ansatzes zur Gesamtsimulation erfolgreich unterstützt werden.
Bei einigen Projekten wurden die Black Boxes durch Realdaten beschrieben, wodurch eine
exaktere Validierung des Modells möglich wurde. Hierbei erwies sich die erreichte
Abbildungs- und Ergebnisgenauigkeit als völlig ausreichend für die Fragestellungen.
Vor allem Komponenten, die aufgrund umfangreicher Bautätigkeiten sehr früh im Projekt
definiert werden müssen, wie zum Beispiel der Ort und die Dimensionierung von
Sortierspeichern, konnten mittels der Gesamtsimulation wesentlich besser optimiert werden.
Es wurden Konzept- und Planungslücken erkannt und ihre Auswirkungen aufgezeigt. Vor
allem konnte auch ein nicht zu unterschätzender Synergieeffekt bei den projektbeteiligten
Planern realisiert werden, indem das Systemverhalten der Gesamtanlage quantifiziert und
visualisiert wurde. Diese Erhöhung des Systemverständnisses half bei der Überwindung von
Zielkonflikten zwischen den Bereichen und diente dazu ein globales Optimum der
Gesamtanlage statt der lokalen Optima der Produktionsbereiche zu erreichen.
5. Literatur
[1] Bracht, U. Mit Simulation zu verbesserten Fabrikstrukturen
In: 5. Tagungsband Fabrikplanung
- Neue Herausforderungen an die Fabrikstrukturplanung –
Düsseldorf : VDI-Verlag, 1995
[2] Reinhart, G;
Feldmann, K,
[3] Kuhn, A.;
Reinhard, A.;
Wiendahl, H.-P.
[4] Richtlinie-
VDI 3633
[5] Haberfellner;
Nagel; Becker;
et al
Simulation – Schlüsseltechnologie der Zukunft?
München: Hertbert Utz Verlag, 1997
Handbuch Simulationsanwendungen in Produktion und Logistik
Reihe Fortschritte in der Simulationstechnik
Braunschweig: Vieweg Verlag 1993
Simulation von Logistik-, Materialfluß- und Produktionssystemen
Blatt 1, Grundlagen
Berlin: Beuth Verlag, 1993
Systems Engineering
Methodik und Praxis
Zürich: Verlag Industrielle Organisation, 1994
[6] Fishwick, P.A. Simulation Model Design and Execution.
Building digital worlds.
Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1995.
8

Die Autoren dieses Beitrags:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Bracht, geb. 1949, ist Leiter des Instituts für Maschinelle
Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit. Nach mehr als 11 Jahren verschiedener leitender
Tätigkeiten in der Automobilindustrie ist er seit 1996 an der Technischen Universität
Clausthal insbesondere auf dem Gebiet der Fabrikplanung und Logistik tätig.
Dipl.-Ing. Matthias Hagmann, geb. 1971, ist seit 1996 bei der BMW AG, München, im
Bereich der Ablaufsimulation tätig. Im Rahmen seiner Dissertation beschäftigt er sich
besonders mit dem Aufbau und der Integration hierarchischer Simulationsmodelle in den
Planungsablauf.
9