Virtuelle Fabrik

Ablauf

Strukturierung von

Produktionssystemen

Planungsschritt "Strukturierung"

Räumliche Organisation von Produktionssystemen

Bestimmung des räumlichen Strukturtyps

Verfahren zur optimalen Gestaltung der räumlichen Struktur

Übungsbeispiele

Einsatz des Programms OptPS zur Strukturierung

Strukturierung von Produktionssystemen

Planungsschritt Strukturierung

Strukturierung von Produktionssystemen

Räumliche und zeitliche Struktur

Der Planungsschritt Strukturierung umfasst alle Planungsaktivitäten,

die zu Aussagen über die Struktur S eines Produktionssystems

Σ = (M, P, S) führen.

Die Struktur S wird durch eine Folge zweistelliger Relationen

verkörpert, die stofflicher, energetischer und informationeller Natur

sind. Sie umfasst somit Stoff-, Energie- und Informationsfluss-

strukturen.

Die Struktur wird durch Prozesse "induziert", die mindestens aus

zweistelligen, meist jedoch aus mehrstelligen Relationen bestehen.

Beispiele:

Stofffluss Energiefluss Informationsfluss

Raum Layout mit Materialströmen Elektroenergienetz lokales Computernetz

Zeit Tourenfahrplan des innerbe-trieblichen Transports

zeitliches Belastungsdia-gramm der Knoten eines E-Netzes

Durchlaufplan der Produkti-onsprozesssteuerung

Strukturierung von Produktionssystemen

Räumliche Organisation

Die räumliche Organisation der Produktion ist die (wirtschaftlichste) Anord-

nung der ortsgebundenen Betriebsmittel bei Beachtung der sich daraus

ergebenden Ortsveränderungen der Arbeitsgegenstände und Arbeitspersonen

sowie deren Einbindung in die bauliche Hülle unter Berücksichtigung der

spezifischen Bedingungen des Fertigungsprozesses.

Entsprechend der mengentheoretischen Definition wird die räumliche Struktur

von Produktionssystemen (und ihrer Flusssysteme) bestimmt durch:

- die Art der Systemelemente

- die jeweilige Anzahl der Systemelemente

- das Wesentliche der Anordnung der Systemelemente sowie

- die zweistelligen Relationen (im Weiteren Verbindungen genannt) zwischen

den Systemelementen (Art und Richtung der Verbindungen).

Die Art der Transportverbindung zwischen den Arbeitsplätzen kann sein:

- direkt oder

- indirekt über Lager.

Strukturierung von Produktionssystemen

Fälle des Zusammenführens der

Fertigungsprozesselemente

Problem: Örtliche Zusammenführung der an einem Teilprozess (Arbeitsvorgang)

beteiligten Elemente (Arbeitsgegenstand, Arbeitsmittel, Arbeitsperson). 1. die Festlegung, welche Elemente einen festen Standort erhalten und welche Elemente bewegt werden,

2. die Bestimmung des Standortes der ortsfesten Elemente und

3. die Ermittlung von Bewegungsrouten der ortsveränderlichen Elemente.

Fall Arbeitsmittel Arbeitsgegenstand Arbeitsperson zAG zAP

1 0 0 0 = 1 = zAM

2 0 0 = 1 < zAM

3 0 0 > 1 = zAM

4 0 >1 < zAM

5 0 0

6 0

7 0

8

0 ortsfest (stationär)

ortsveränderlich

Strukturierung von Produktionssystemen

Planungsfälle und Planungsraum

Planungs-

fall P M S

Fertigungs-

steuerung

1 1 1 1

Produktions-planung

2 « 1 1 1

3 1 « 1 1Ressourcen-planung

4 « 1 « 1 1

5 1 1 « 1Struktur-planung

6 « 1 1 « 1

7 1 « 1 « 1Struktur- undRessourcen-

planung 8 « 1 « 1 « 1

P

M

S

Planungsrichtung

Bestimmtheitsgrad der Fertigungs-

prozesse

Bestimmtheitsgrad der Elementmengedes Produktionssystems

Bestimmtheitsgrad der Struktur desProduktionssystems

2

P

M

S

1 3

4

5

6

7

8

1

1

0

1

1

statische Ressourcen

dynamische

Ressourcen

Strukturierung von Produktionssystemen

Bestimmung des Strukturtyps

(nach Förster)

Strukturierung von Produktionssystemen

Ordnungsebenen für den räumlichen Strukturtyp

1. Ordnung (FP)

Beispiele

2. Ordnung (FG)

Die interne Struktur der FP ist hier uninteressant.

3.-5. Ordnung analog

Strukturierung von Produktionssystemen

Analoges Modell

(Strukturgrafik)

Formales Modell

Bildhafte Struktur

(Layout)

Vorgehensweise bei der Bestimmung

der räumlichen Struktur

M2

M3

M1

Reale Struktur

(Werkstatt)

M1 M2 M3

M1 X

M2 X

M3 X

M1

M2

M3

Vo

rge

he

ns

we

ise

Strukturierung von Produktionssystemen

Analyse von Strukturierungsverfahren

Qualitätsvorteile

Zeitvorteile

Zeit Qualität

Verfahren zur räumlichen Strukturierung

mit Konvergenzbeweis ohne Konvergenzbeweis

heuristische Verfahren exakte Verfahren

stochastische

Zuordnungen vollständige

Enumeration

unvollständige

Enumeration

Verbesserungs-

verfahren

Vergleichsstrukturen

Eröffnungs-

verfahren

/nach BÖLT/

Strukturierung von Produktionssystemen

Anzahl von Lösungen

quadratischer Zuordnungsprobleme

Anzahl der Elemente n Anzahl der Lösungen l

1 1

2 2

3 6

4 24

5 120

6 720

7 5.040

8 40.320

9 362.880

10 3.628.800

… …

20 2.432.902.008.176.640.000

Strukturierung von Produktionssystemen

Übersicht über Eröffnungsverfahren

Zeit

Qualität

Lee/Moore[CORELAP]

Seehof/Evans[ALDEP]

Biberschick/Sewera

Burkhard/Rendl

Dangelmaier

Sauter

Gaither/Shafer

Whitehead

WeiKaku

Sauter/Minten[MODULAP]

Muther/McPerson[RMA]

Deshpande[CLULAYOUT]

Edwards/Gillet/Hale

[MAT]

Schmigalla[MDV]

Kiehne[SAT]

Elshafei

Müller-Mehrbach

Garside/Nicholson

Hillier/Conners

Gilmore

Strukturierung von Produktionssystemen

Übersicht über Verbesserungsverfahren

Zeit

Qualität

Hillier/Conners

Khalil[FRAT]

Hardeck

Garside/Nicholson

Berr/Müller Pack

Burkard/Rendl Nuggent

Wilhelm/WardGolany/Rosenblatt

Skorin-Kapov

Meier[LAY]

KiehneZorn [SPV]

Armour/Buffa [CRAFT]Roberts/Flores

AhrensMüller

Vollmann/Nugent [COL]Hitchings/Cottam [TSP] Gaschütz/AhrensHillier

Connolly

Strukturierung von Produktionssystemen

Analyse von Planungswerkzeugen

Zeichnungen

Modellbasierte Werkzeuge

CAD-Systeme

VR-Systeme

Produktionssystem-

planungswerkzeuge

Simulation

oh

ne

Re

ch

en

techn

ik

mit R

ech

en

tech

nik

mit Planungsfunktionalität

ohne Planungsfunktionalität

1. Klassifikation der Werkzeuge

Verfahren

- Strukturierungsverfahren

Art

- analog, digital

Modellcharakter

- formal, analog, bildhaft

Darstellung

- 2D, 3D, VR

Bedienung

- Mehrnutzerbedienung

- Verteilte Planung

- Intuitive Handhabung

- Fachwissen

- Planungsunterstützung

Kompatibilität

- CAD, Datenbank

Modellierung

- Modellierungsaufwand

- Modellbibliothek

Betrachtungsbereich

- Grob- bzw. Feinlayoutplanung

Bewertung

- Flussintensitäten

2. Bewertungskriterien

Strukturierung von Produktionssystemen

Strukturierung mit OptPS

Werkzeug zur Strukturierung von Fertigungssystemen

Umsetzung mit Microsoft Excel

Wahlweise zwei Verfahren zur Anordnungsoptimierung:

- Verfahren nach Martin zur Reduzierung der Transporte entgegen der Flussrichtung

- Modifiziertes Dreiecksverfahren nach Schmigalla zur Minimierung der Transportaufwände zwischen den

Anordnungsobjekten

Ergebnisvergleich nach dem Transportaufwand

Anzeige der Matrizen sowie der zweireihigen Anordnung

der Objekte in einem Dreiecksraster

OptPS

Strukturierung von Produktionssystemen

Verfahren zur Richtungsoptimierung

nach Martin

Minimierung der rückläufigen Verbindungen in einem

Produktionssystem (Richtungsoptimierung)

• Matrix der Transportintensitäten mit Systemein- u. -ausgang

• Verbindungsmatrix (Binärzustände der Transportmatrix)

Ziel:

Voraussetzung:

1. Bildung der Zeilen- und Spaltensummen in der Verbindungsmatrix!

2. Berechnung des Quotienten aus Zeilen- und Spaltensummen für jedes Element!1

3. Anordnung des Elementes mit dem größten Quotienten!2

4. Nach der Anordnung eines Elementes werden die Matrix der Transportinten-

sitäten und die Verbindungsmatrix um die Zeile und Spalte des angeordneten

Elementes verkleinert.

5. Wiederholung der Schritte 1.-4. bis alle Elemente angeordnet sind!

Algorithmus

1 Enthält dabei der Zähler den Wert Null so wird der Quotient als Minimum gesetzt. Ist im Nenner die Null, dann wird der Quotient zum Maximum.

2 Bei Quotientengleichheit müssen verschiedene Kriterien berücksichtigt werden. Sind Quotienten die im Zähler oder Nenner eine Null stehen haben, vorhanden,

werden diese folgendermaßen bewertet: 0/3 < 0/2 und 3/0 > 2/0. Besteht danach immer noch Quotientengleichheit, werden von diesen Elementen die Zeilen- und

Spaltensummen der Transportintensitäten berechnet und dann aus deren Quotienten der Größte ausgewählt und angeordnet. Sind die Quotienten dann weiterhin

noch gleich, wird die Anzahl der Verbindungen zu bereits angeordneten Elementen verglichen. Das Element mit den meisten Verbindungen wird angeordnet. Führt

dies auch zu keiner Unterscheidung, wird das Element mit der kleinsten Ordnungsnummer ausgewählt.

Strukturierung von Produktionssystemen

Verfahren zur Minimierung des Transportaufwandes

nach Schmigalla

Minimierung des Transportaufwandes IFL * sij min

Matrix der relativen Transportintensitäten ohne Systemein-

und -ausgang

Ziel: Voraussetzung:

1. Erzeugen der nicht-richtungsorientierten Matrix der relativen Flussintensitäten!

2. Ermittlung des Matrixfeldes mit der maximalen Flussintensität und Anordnung dieser beiden

Elemente als 1. Anordnungspaar nebeneinander!

3. In den folgenden Bearbeitungszyklen erfolgt die Anordnung der Elemente mit sinkender

Beziehungsintensität zueinander!

4. Löschen der Spalten der angeordneten Elemente! Diese werden im Algorithmus nicht weiter

betrachtet.

5. Zeilen- und spaltenweise Notation der IFL rel zwischen den angeordneten und den noch nicht

angeordneten Elementen!

6. Bildung des Summenwertes der verbliebenen Anordnungselemente für IFL rel!

7. Anordnung des Elementes mit dem maximalen Summenwert!

8. Wiederholung der Schritte 3.-7. bis alle Elemente angeordnet sind!

9. Anordnung der Elemente erfolgt auf einem Dreiecksraster (ein-/zweireihig, flächenförmig).

Algorithmus

Strukturierung von Produktionssystemen

OptPS – Beispiellösung

Strukturierung von Produktionssystemen

Darstellung der zweireihigen Anordnung

entlang eines Transportweges in OptPS

Transportweg