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
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