Digitale Fabrik - Fabriksimulation für Produktionsplaner

Wolfgang Kühn

Digitale Fabrik

Fabriksimulation für Produktionsplaner

2006

495 Seiten

Format: PDF, Online Lesen

E-Book: €  79,99

E-Book kaufen

E-Book kaufen

ISBN: 9783446408661

 

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

 

© 2009-2021 ciando GmbH