Simulation zur Entkopplung von manuellen und automatisierten Arbeitsstationen

In einem verketteten Montagesystem sind optimal ausgelegte Puffer ein entscheidender Faktor für die Leistung und Auslastung des Gesamtsystems. Dies liegt u. a. darin begründet, dass der Mensch selbst in hoch automatisierten Montagesystemen eine wesentliche Rolle spielt und die Streuungen der individuellen Ausführungs- bzw. Verteilzeiten berücksichtigt werden müssen, um eine optimal synchronisierte Abstimmung von Mensch und Maschine zu erhalten. Mit Hilfe von Simulationen können verkettete Montagesysteme und ihre Entkopplungs­puffer detailliert untersucht und hinsichtlich ihrer Leistung bewertet werden. Für eine umfassende Bewertung von Puffern ist des Weiteren eine Betrachtung des Montagesystems unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten erforderlich. Auch hierzu liefert die Simulation wichtige Kennzahlen.

Digitale Fabrik und Simulation

Die Digitale Fabrik beschreibt den durchgängigen Einsatz von IT-Werkzeugen in allen Phasen der Produktentstehung. Dabei strebt sie das Ziel an, die Produktentwicklung und Produktionsplanung mit Hilfe digitaler Modelle und Werkzeuge zu begleiten, zu beschleunigen und abzusichern [1, 2]. In der Digitalen Fabrik ist die Simulation eine Kerntechnologie [3]. Unter Simulation wird das „Nachbilden eines dynamischen Prozesses in einem System mit Hilfe eines experimentierfähigen Modells verstanden, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind“ [4]. Das der Simulation zugrunde gelegte Modell muss hierbei das Ausgangssystem den Zielstellungen der Aufgabenstellung entsprechend genau abbilden. Eine zu detaillierte Modellierung ist genauso wie eine zu starke Vereinfachung zu vermeiden. Erforderliche Vereinfachungen sollten in den bezüglich der Aufgabenstellung am wenigsten relevanten System-bereichen vorgenommen werden. Während der Durchführung einer Simulationsstudie werden in der Regel die folgenden fünf Phasen durchlaufen [5, 6]:

1.    Systembeschreibung und Ermittlung der Datenbasis

2.    Erstellung des Simulationsmodells

3.    Validierung des Simulationsmodells

4.    Durchführung der Simulationsexperimente

5.    Auswertung und Interpretation der Ergebnisse

Ermittlung der Datenbasis

Der Datenaufnahme kommt in der Simulation eine Schlüsselstellung zu. Die Aussage-kraft, der im Verlauf der Studie gewonnenen Ergebnisse, ist direkt von der Qualität der Daten abhängig.

Bei der Simulation von Entkopplungspuffern muss eine Vielzahl unterschiedlicher Daten erhoben werden:

Für jede manuelle Arbeitsstation:

• Bearbeitungszeiten (Grundzeiten)
• Länge, Dauer und Streuung von persönlichen und sachlichen Verteilzeiten (stochastisch modelliert mit Angabe von MTTR (Meantime To Repair) und Verfügbarkeit)

Für jede automatische Arbeitsstation:

• Prozesszeiten
• Störungszeiten (stochastisch modelliert mit Angabe von MTTR und Verfügbarkeit)

Globale Zeitdaten

• Pausenzeiten und Pausenanzahl
• Erholungspausen
• Schichtsystem

Sonstige Daten

• Anzahl der Produkte und Produktvarianten
• Pufferkapazität zwischen den Arbeitsstationen

Erstellung des Simulationsmodells

Zur Modellierung und Simulation von Produktionssystemen und -prozessen steht eine große Auswahl an unterschiedlichen Softwarewerkzeugen zur Verfügung. Plant Simulation (ehemals: eM-Plant, Simple++) der Firma UGS und Arena von Rockwell Software zum Beispiel sind zwei ereignisorientierte Simulationswerkzeuge, die auf die Simulation von Materialflüssen spezialisiert sind. Bei ereignisorientierten Simulationen verläuft die simulierte Zeit in der Regel wesentlich schneller als die physikalische Zeit, welche die reale, auf das modellierte System bezogene Zeit beschreibt. Durch diese Art der Steuerung wird es möglich, große Zeitspannen in zeitlich stark verkürzter Form zu simulieren.

Um den Modellierungsaufwand zu reduzieren und den Planer bei der Erstellung der Modelle zu unterstützen, bieten objektorientierte Simulationsumgebungen in der Regel die Möglichkeit, Modelle aus standardisierten Anwendungsobjekten hierar-chisch aufzubauen. Durch das Einfügen, Verknüpfen und Parametrisieren dieser Objekte können sukzessive umfangreiche und komplexe Simulationsmodelle erstellt werden.  Plant Simulation bietet u. a. die in Bild 1 dargestellten Bausteine an, mit denen der Fluss von Materialien durch eine Anlage simuliert werden kann.

Validierung des Simulationsmodells

Der Erstellung des Simulationsmodells nachgestellt ist dessen Validierung und damit die Überprüfung, ob das erstellte Simulationsmodell die Wirklichkeit hinreichend genau abbildet. Zu diesem Zweck sollte das Verhalten des Simulationsmodells mit dem Verhalten des realen Systems nach bestimmten Kriterien verglichen werden. Arnold empfiehlt zumindest die folgenden Aspekte bei der Validierung zu berücksichtigen [7]:

• Überprüfung der Parameter des Simulationsmodells mit den Betriebsdaten aus der Datenerhebung zur Minimierung von Eingabefehlern
• Simulation des Ist-Zustandes des realen Systems und Vergleich der Ausgangsdaten der Simulation mit den realen Betriebsdaten
• Überprüfung der Funktionsfähigkeit der einzelnen Bausteine des Gesamtmodells und der Plausibilität der Funktionsweise des Gesamtmodells mit Hilfe der Animation der Simulation
• Mehrfache Durchführung von Simulationsläufen und Quantifizierung der Streuung der Ergebnisse

Simulationsdurchführung 

Nach der Validierung des Simulationsmodells müssen Simulationsexperimente geplant werden. Werden Simulationsexperimente nicht sorgfältig vorbereitet, besteht die Gefahr, dass sie zu keinem Ergebnis oder nur mit hohem Aufwand zu sinnvoll nutzbaren Ergebnissen führen [8]. Im Zuge der Planung von Simulationsexperimenten müssen relevante Zielgrößen und deren Einflussgrößen, die Anzahl der erforderlichen Simulationsläufe, die Stufen-kombina-tionen der in den Experimenten zu untersuchenden Einflussgrößen, die Simulationsdauer sowie die Messzeitpunkte und -intervalle festgelegt werden [4].

Auswertung der Simulationsexperimente

Nach Durchführung der Simulationsexperimente müssen die betrachteten Planungsvarianten gegenübergestellt und hinsichtlich der relevanten Zielgrößen bewertet werden. Für die Planung der Entkopplung von Arbeitsstationen sind neben der Gesamtleistung des Montagesystems auch die belegten Kapazitäten der einzelnen Puffer wichtige Kenngrößen. Die Belegung eines optimal ausgelegten Puffers ist über die Zeit gesehen stets veränderlich und kann zwischen null und der maximal vorhandenen Kapazität pendeln. Die meisten Simulationsumgebungen bieten zur Bewertung von Puffern unterschiedliche Kennzahlen bzw. Kennlinien an. Plant Simulation stellt hierzu als Ausgangsgrößen die relative, maximale und minimale Pufferbelegung, die Pufferbelegung über die Simulationszeit sowie die Häufigkeitsverteilung der Pufferbelegung zur Verfügung.

Bei der Dimensionierung von Entkopplungspuffern ist jedoch zu beachten, dass nicht allein die Leistungsfähigkeit des Montagesystems als wesentliche Entscheidungsgröße zu berücksichtigen ist. Vielmehr muss die Entkopplung zusätzlich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten betrachtet werden.

Wirtschaftlichkeit von Entkopplungspuffern

In einem verketteten Montagesystem wirken sich Störungen sowie Taktzeitunterschiede zwischen den Arbeitsstationen auf die übrigen Stationen in Form von Wartezeiten und Blockierzeiten aus. Der Zeitbedarf für die Montage eines Produktes steigt mit der Größe dieser unproduktiven Zeitabschnitte wobei die Auslastung des Gesamtsystems sinkt. Der dadurch verursachte zeitliche Mehraufwand kann in Stillstands-kosten umgerechnet werden.

Entkopplungspuffer innerhalb eines Montagesystems können die Gesamtverfügbarkeit des Montagesystems durch die Reduzierung von Stillstandszeiten erhöhen. Durch den Einsatz der Simulation ist es möglich, für jede Station des Montagesystems die Anteile der Warte- und Blockierzeiten direkt und damit die resultierenden Stillstandskosten zu bestimmen.

Die Pufferkosten können differenziert werden in Puffergrundkosten und Pufferfüllkosten [9]. Die Puffergrundkosten sind sprungfixe Kosten, d.h. sie fallen mit der Einrichtung eines Puffers unabhängig von der Pufferkapazität an. Darunter können beispielsweise Anschaffungskosten von Hub- oder Übergabestationen verstanden werden. Die Pufferfüllkosten ergeben sich durch die Kapitalbindungskosten der durchschnittlich in den Puffern enthaltenen Montageobjekte. Der durchschnittliche Füllstand eines Puffers kann direkt in der Simulationsumgebung ermittelt werden. Damit ermöglicht die Simulation die Quantifizierung der Pufferfüllkosten als Einflussgröße der Wirtschaftlichkeit einer Puffervariante. Die für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung relevanten Gesamtkosten ergeben sich schließlich aus der Summe der Stillstandskosten und der Pufferkosten.

Fallbeispiel

Die Simulation der Entkopplung von verketteten Arbeitsstationen konnte zur Dimensionierung und Bewertung von Entkopplungspuffern bei einem Haushaltsgerätehersteller erfolgreich eingesetzt werden. Das untersuchte Montagesystem besteht aus zwei Montagelinien, die sich sowohl aus manuellen als auch aus automatischen Arbeitsplätzen zusammensetzen. Beide Montagelinien sind parallel zueinander angeordnet, haben ihren Ursprung in einer gemeinsamen teilautomatisierten Vormontagestation und werden am Ende in einer gemeinsamen Senke zusammengeführt (Bild 2). Die beiden Montagelinien unterscheiden sich darin, dass auf Ihnen verschiedene Produktvarianten gefertigt werden. Die einzelnen Stationen der Montagelinie sind über staufähige Doppelgurtförderer miteinander verkettet. Die Montageobjekte werden mit Hilfe von Werkstückträgern durch die einzelnen Montagestationen geführt. Die Mitarbeiter des Montagesystems arbeiten in einem von den Mitarbeitern steuerbaren variablen Takt.

Die entscheidende Zielgröße bei der Pufferdimensionierung im untersuchten Montagesystem war der Durchsatz bzw. die erzielbare Ausbringungsmenge, folglich die Leistungsfähigkeit des Montagesystems. Als wesentliche Einflussgrößen konnten folgende Größen ermittelt werden, deren Werteausprägungen und Einfluss auf die Leistung des Montagesystems untersucht wurden:

• Pufferkapazitäten der Gurtförderabschnitte (Anhängig von der Montagelinie sind dies ca. zehn Einflussgrößen pro Montagelinie)
• Anzahl und Kapazität zusätzlicher Entkopplungspuffer
• Flächenbedarf der Entkopplungspuffer
• Anzahl der Werkstückträger
• Geschwindigkeit der Doppelgurtförderer
• Prozesszeiten der automatischen Montagestationen

Insgesamt wurden sechs Planungsvarianten in digitale Modelle abgebildet und mit Hilfe der Simulation untersucht. In den Simulationsstudien wurden verschiedene Strategien verfolgt. Hierbei wurde zum Beispiel analysiert, wie sich die Umverteilung von bestehenden Pufferkapazitäten auf die Leistung des Montagesystems auswirkt. Die Erweiterung der bestehenden Pufferkapazität um zusätzliche Kapazität wurde ebenfalls im Detail untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, wie sich die Veränderung von Pufferkapazitäten auf die Gesamtleistung des Montagesystems auswirkt. Bild 3 zeigt exemplarisch wie sich das Einfügen eines weiteren Entkopplungspuffers vor der automatischen Station am Ende der Montagelinie auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems auswirkt. Im Anschluss an die Simulationsexperimente wurden die verschiedenen Planungsvarianten hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit untersucht.

Die durchgeführten Simulationsstudien und Wirtschaftlichkeitsrechnungen ergaben, dass die Investition in zusätzliche oder größere Entkopplungs-puffer trotz Leistungssteigerung des Gesamtsystems wirtschaftlich nicht sinnvoll  gewesen wäre. Vielmehr, so zeigten die Simulationsergebnisse, führen Umstrukturierungen im Montagesystem etwa das Versetzen einzelner Arbeitsstationen und damit punktuelles Erhöhen bzw. Reduzieren bestehender Pufferkapazitäten durch Anpassen der Länge der Doppelgurtförderer, zu ähnlichen Leistungssteigerungen. Eine Steigerung der Ausbringungsmenge des Montagesystems konnte erreicht und Neuinvestitionen vermieden werden.

Zusammenfassung

Der Lehrstuhl für Arbeits- und Produktionssysteme befasst sich schwerpunktmäßig mit Aufgabenstellungen des Industrial Engineering. Hierzu zählt auch der Einsatz der Simulation als adäquates Werkzeug zur Planung und Absicherung von Produktionssystemen. Mit Hilfe der Simulation können Entkopplungspuffer detailliert analysiert und hinsichtlich ihrer Leistung bewertet werden. Hierdurch ist es auch im Sinne der „schlanken Produktion“ möglich, eine Überdimensionierung der Puffer zu vermeiden [10].  Optimal ausgelegte Puffer sind ein entscheidender Faktor für die Leistung und Auslastung von Montagesystemen.

Literatur:

[1] Deuse, J.; Petzelt, D.; Sackermann, R.: Modellbildung im Industrial Engineering. In: Spur, G. (Hrsg.): ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, München, Carl Hanser Verlag, 2006
[2] Richtlinie VDI 4499: Digitale Fabrik – Grundlagen. Düsseldorf: VDI, 2006
[3] Kühn, W. (Hrsg.): Digitale Fabrik – Fabriksimulation für Produktionsplaner. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2006
[4] Richtlinie VDI 3633: Simulation von Logistik-, Materialfluss- und Produktionssystemen – Grundlagen, Blatt 1. Düsseldorf: VDI, 2000
[5] Zwick, M.: Fritsche, B.; Henneberg, R.; Schulz, L.: Innerbetriebliche Logistik. In: Kuhn, A (Hrsg.): Simulation in Produktion und Logistik: Fallbeispielsammlung. Berlin: Springer Verlag, 1998
[6] Fretter, G.; Rabe, M.; Rauth, E.: Kapitel 4: Fertigung und Montage. In: Kuhn, A. (Hrsg.): Simulation in Produktion und Logistik: Fallbeispielsammlung. Berlin: Springer Verlag, 1998
[7] Arnold, D.: Materialfluss in Logistiksystemen. 3. Auflage, Berlin: Springer Verlag, 2003
[8] Noche, B.: Simulation in Produktion und Materialfluss – Entscheidungsorientierte Simulationsumgebung. Verlag TÜV Rheinland, 1989
[9] Bullinger, H. J.: Planung entkoppelter Montagesysteme: Puffer in der Montage. Stuttgart: Teubner Verlag, 1993
[10] Deuse, J.; Wischniewski, S.; Fischer, H. : Renaissance des Industrial Engineering – Methoden für die Umsetzung Ganzheitlicher Produktionssysteme. In: wt Werkstattstechnik online 96, 2006

Tags: Digitale Fabrik Entkopplungspuffer Modellbildung Pufferdimensionierung Simulation

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