Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode der Fertigungssteuerung, welche die veränderte Rolle und das verbreiterte Aufgabenspektrum in einem Cyber-Physischen Produktionssystem berücksichtigt. Die Arbeit folgt einem systematischen Ansatz, indem zunächst eine grundlegende Problemstellung spezifiziert und anschließend die Vorteile konventioneller Methoden der Fertigungssteuerung hinsichtlich der Anwendung auf die grundlegende Problemstellung diskutiert werden. Aus den Erkenntnissen dieser Methodendiskussion sowie der Analyse produktionslogistischer Grundsätze werden Anforderungen an die zu entwickelnde Methode der autonomen Fertigungsregelung (AFR) definiert, welche die anschließende Methodenentwicklung prägen. Die AFR wird in den Anwendungsfällen der flexiblen Fließ- und Werkstattfertigung in zwei Simulationsmodellen mit verschiedenen Parameterkonstellationen simuliert sowie mit konventionellen Methoden hinsichtlich der logistischen Leistung verglichen.
Die Ergebnisse in beiden Anwendungsfällen bestätigen die theoretischen Potentiale der Selbststeuerung und der Integration der Aufgaben der Fertigungssteuerung in einer Methode. Je nach Parameterkonstellation können bei gleicher Arbeitszeit eine höhere Termintreue bei geringeren Durchlaufzeiten oder vergleichbare Termintreue und Durchlaufzeiten bei deutlich geringerer Arbeitszeit erzielt werden.
Diese Arbeit und insbesondere die Untersuchung am Szenario einer realen Werkstattfertigung liefern quantitative Anreize, die Entwicklung zu Cyber-Physischen Produktionssystemen weiter voranzutreiben und auf dem betrieblichen Hallenboden die notwendige Infrastruktur zu schaffen.
Kontinuierlich steigende Erwartungen an die logistische Zielerreichung, insbesondere an die Termintreue, zunehmend volatile Märke und die Reduktion von Umlaufbeständen führen dazu, dass die Fertigungssteuerung seit Jahren an Bedeutung gewinnt. Doch auch der Umfang der Fertigungssteuerung ist gestiegen, sodass heute neben Auftragsfreigabe und -überwachung auch die Arbeitsverteilung, Reihenfolgebildung und der Kapazitätssteuerung zu den Aufgaben der Fertigungssteuerung zählen.
Die Entwicklung im Rahmen der „Industrie 4.0“ in Richtung Cyber-Physischer Produktionssysteme (CPPS) basiert auf den Fortschritten in der Informations- und Kommunikationstechnologie und versucht diese Potentiale u. a. auch in der Fertigungssteuerung zu nutzen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielstellung
1.3 Wissenschaftstheoretische Einordnung
1.4 Forschungsfragen
1.5 Aufbau der Arbeit
2 Grundlagen
2.1 Systemtheoretische Betrachtung von Produktionssystemen
2.1.1 Definition und Eigenschaften eines Systems
2.1.2 Komplexität als Herausforderung aus Sicht der Systemtheorie
2.1.3 Kapazität eines Produktionssystems
2.1.4 (Cyber-Physische) Produktionssysteme
2.2 Produktionsplanung und -steuerung (PPS)
2.2.1 Übergeordnete Aufgaben und Ziele der PPS
2.2.2 Klassifikation von Methoden der Produktionsplanung
2.2.3 Klassifikation von Methoden der Fertigungssteuerung
2.2.4 Klassifikation von PPS-Systemen in der Praxis
2.2.5 Regelung und Integration im Kontext der PPS
2.3 Selbststeuerung Cyber-Physischer Produktionssysteme
2.3.1 Einordnung der Selbststeuerung aus Sicht der Systemtheorie
2.3.2 Verständnis und Definition von Selbststeuerung
2.3.3 Transfer von Charakteristika der Selbststeuerung auf Produktionssysteme
2.3.4 Potentiale und Grenzen der Selbststeuerung
2.3.5 Technologische Anforderungen der Selbststeuerung
2.4 Klassifikation von Produktionssystemen zur Auswahl von Methoden der PPS
2.4.1 Klassifikation von Produktionssystemen zur Auswahl von Methoden der Produktionsplanung
2.4.2 Klassifikation von Produktionssystemen zur Auswahl von Methoden der Fertigungssteuerung
2.5 Modellierung und Simulation zur Bewertung von Verfahren der PPS
2.5.1 Klassifikation der Simulationsmodelle von Produktionssystemen
2.5.2 Grundsätze ordnungsmäßiger Modellierung
2.5.3 Modellverifikation und -validierung
2.5.4 Modellierung der Kapazität eines Produktionssystems
3 Formulierung des Grundproblems
4 Bewertung von Methoden der Fertigungssteuerung hinsichtlich des Grundproblems
4.1 Methoden der Auftragsfreigabe
4.2 Methoden der Kapazitätssteuerung
4.3 Methoden der Arbeitsverteilung und Reihenfolgebildung
4.3.1 Regelbasierte Arbeitsverteilung und Reihenfolgebildung
4.3.2 Methoden der Selbststeuerung zur Arbeitsverteilung und Reihenfolgebildung
4.4 Ableitung von Anforderungen an die Methode zur autonomen Fertigungsregelung (AFR)
5 Beschreibung der Methode der autonomen Fertigungsregelung
5.1 Gesamtkonzept
5.2 Detaillierter Verfahrensablauf
5.2.1 Notation und Begriffe
5.2.2 Auftragsfreigabe und Arbeitsverteilung auf erster Bearbeitungsstufe
5.2.3 Arbeitsverteilung und Reihenfolgebildung
5.2.4 Kapazitätssteuerung
5.3 Verfahrensparameter
5.4 Theoretische Bewertung der Methode der autonomen Fertigungsregelung hinsichtlich der definierten Anforderungen
6 Evaluation der Methode der autonomen Fertigungsregelung mittels Simulation
6.1 Versuchsplanung
6.1.1 Überblick
6.1.2 Anwendungsfälle
6.1.3 Kennzahlen zum Methodenvergleich
6.1.4 Störungen
6.1.5 Ausgewählte Vergleichsmethoden
6.1.6 Hard- und Softwareumgebung
6.2 Untersuchung der Funktionalität der Methode der autonomen Fertigungsregelung abhängig von Parameterwahl ohne Kapazitätssteuerung
6.2.1 Einfluss der Planungsmethoden
6.2.2 Einfluss der Parameterwahl
6.3 Vergleich der Methode der autonomen Fertigungsregelung mit etablierten Fertigungssteuerungsverfahren ohne Kapazitätssteuerung
6.4 Erweiterung der Methode der autonomen Fertigungsregelung um Kapazitätssteuerung
6.5 Untersuchung der Funktionalität der Methode der autonomen Fertigungsregelung abhängig von Parameterwahl mit Kapazitätssteuerung
6.5.1 Einfluss der Planungsmethoden
6.5.2 Einfluss der Parameterwahl
6.6 Vergleich der Methode der autonomen Fertigungsregelung mit etablierten Fertigungssteuerungsverfahren mit Kapazitätssteuerung
6.7 Untersuchung der Funktionalität der Methode der autonomen Fertigungsregelung abhängig von Parameterwahl mit Kapazitätssteuerung im realen Anwendungsfall
6.8 Untersuchung der Funktionalität der Kapazitätssteuerung der Methode der autonomen Fertigungsregelung im realen Anwendungsfall
6.9 Vergleich der Methode der autonomen Fertigungsregelung mit konventionellen Methoden im realen Anwendungsfall
7 Schlussbetrachtung
7.1 Zusammenfassung
7.2 Potentiale und Grenzen der Methode der autonomen Fertigungsregelung im Praxiseinsatz
7.3 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluation einer neuen Methode zur selbststeuernden Fertigungsregelung (AFR), welche das veränderte Aufgabenspektrum und die Rolle der Fertigungssteuerung im Kontext von Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS) adressiert, um logistische Zielvorgaben wie die Termintreue unter volatilen Bedingungen effizienter zu erreichen.
- Integration der Fertigungssteuerungsaufgaben: Auftragsfreigabe, Arbeitsverteilung, Reihenfolgebildung und Kapazitätssteuerung.
- Berücksichtigung komplexer Anforderungen in Werkstatt- und flexiblen Fließfertigungen (u.a. reihenfolgeabhängige Rüstzeiten).
- Entwicklung einer autonomen Steuerungslogik unter Nutzung von Echtzeit-Daten und Planvorgaben.
- Evaluierung der Methode durch ereignisorientierte Simulationen im Vergleich zu konventionellen Steuerungsverfahren.
- Analyse der Leistungsfähigkeit in generischen sowie realen industriellen Anwendungsszenarien.
Auszug aus dem Buch
1.1 Motivation
Aufgrund steigender Erwartungen an die logistische Zielerreichung sowie volatiler Märkte, die eine zuverlässige Nachfrageprognose erschweren, gewinnt die Fertigungssteuerung für produzierende Unternehmen seit Jahren an Bedeutung (Lödding, 2013). Doch nicht nur die Bedeutung, sondern auch der Aufgabenumfang der Fertigungssteuerung ist gestiegen. Während das „Aachener Modell“ der Produktionsplanung und -steuerung, das in den 1990ern entwickelt wurde, die Aufgaben der Fertigungssteuerung im Kern auf die Auftragsfreigabe und -überwachung reduziert (Schuh, 2006), werden dieser mittlerweile auch die Aufgaben der Arbeitsverteilung, Reihenfolgebildung und der Kapazitätssteuerung zugewiesen (Lödding, 2013).
Die Fertigungssteuerung ist zudem mit den Herausforderungen einer steigenden Anzahl an individualisierten Produktvarianten und zunehmenden Bedeutung der Termintreue konfrontiert (Abele & Reinhart, 2011; Lödding, 2013; Schuh, Potente & Thomas, 2013). Um effizient zu produzieren werden Durchlaufzeiten verkürzt und Umlaufbestände reduziert, wodurch Fertigungsprozesse anfällig gegenüber ungeplanten Ereignissen werden (Engelhardt & Reinhart, 2012). Daher gewinnt die Fertigungssteuerung in Echtzeit zunehmend an Bedeutung (Engelhardt & Reinhart, 2012). Insbesondere Verfahren der dezentralen Fertigungssteuerung sowie Verfahren der Selbststeuerung werden in diesem Kontext als aussichtsreich bewertet (Freitag, Herzog & Scholz-Reiter, 2004; Monostori, Váncza & Kumara, 2006; Scholz-Reiter, Rekersbrink & Görges, 2010). Diese Verfahren sind allerdings auf Echtzeit-Daten aus dem Produktionsprozess angewiesen, die in der Unternehmenspraxis bis dato häufig nicht verfügbar sind bzw. waren (Schuh, Gottschalk & Höhne, 2007).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Problemstellung der steigenden Bedeutung der Fertigungssteuerung ein und formuliert das Ziel der Arbeit, eine integrierte Methode der selbststeuernden Fertigungsregelung zu entwickeln.
2 Grundlagen: Das Kapitel vermittelt die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen, von systemtheoretischen Betrachtungen über die PPS bis hin zur Modellierung und Simulation von Produktionssystemen.
3 Formulierung des Grundproblems: Hier werden die spezifischen Anforderungen und Annahmen definiert, die den Rahmen für das zu lösende Grundproblem der Arbeit bilden.
4 Bewertung von Methoden der Fertigungssteuerung hinsichtlich des Grundproblems: Dieses Kapitel analysiert bestehende Methoden der Auftragsfreigabe, Kapazitätssteuerung sowie Arbeitsverteilung und Reihenfolgebildung auf ihre Eignung hin.
5 Beschreibung der Methode der autonomen Fertigungsregelung: Der Fokus liegt auf der detaillierten Vorstellung der neuen AFR-Methode, inklusive Verfahrensablauf und theoretischer Bewertung.
6 Evaluation der Methode der autonomen Fertigungsregelung mittels Simulation: Die Funktionalität und Leistung der AFR wird in diesem Kapitel anhand von Simulationsmodellen in generischen und realen Szenarien evaluiert.
7 Schlussbetrachtung: Dieses Kapitel fasst die Ergebnisse zusammen, diskutiert Potentiale sowie Grenzen im Praxiseinsatz und gibt einen Ausblick auf künftige Forschungsaktivitäten.
Schlüsselwörter
Fertigungssteuerung, Selbststeuerung, Cyber-Physische Produktionssysteme, Auftragsfreigabe, Kapazitätssteuerung, Arbeitsverteilung, Reihenfolgebildung, Industrie 4.0, Simulation, Werkstattfertigung, flexible Fließfertigung, Termintreue, Durchlaufzeit, autonome Fertigungsregelung, Produktionslogistik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Evaluation einer integrierten Methode zur selbststeuernden Fertigungsregelung, um logistische Ziele wie Termintreue in modernen Produktionsumgebungen besser zu erreichen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Fertigungssteuerung, Methoden der Selbststeuerung (nach dem Industrie-4.0-Ansatz), Produktionsplanung, Kapazitätsanpassung sowie die Leistungsbewertung mittels ereignisorientierter Simulation.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Entwicklung einer neuen Methode (AFR), die die veränderte Rolle der Fertigungssteuerung in einem Cyber-Physischen Produktionssystem abbildet und ein breiteres Aufgabenspektrum integriert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt einen systematischen, simulationsbasierten Forschungsansatz, um die Leistung der entwickelten Methode in unterschiedlichen Produktionsszenarien quantitativ zu evaluieren und mit etablierten Verfahren zu vergleichen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst eine Literaturanalyse und Bewertung bestehender Steuerungsverfahren, die Konzeption und detaillierte Beschreibung der AFR-Methode sowie deren umfangreiche Evaluation mittels Simulationsstudien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Fertigungssteuerung, Selbststeuerung, Cyber-Physische Produktionssysteme, Auftragsfreigabe, Kapazitätssteuerung und Termintreue.
Wie geht die AFR-Methode mit ungeplanten Störungen um?
Die AFR ist so konzipiert, dass sie autonom auf Störungen reagiert, indem sie Parameter wie Kapazitäten oder Reihenfolgen in Echtzeit auf Basis der aktuellen Systemzustände anpasst.
Warum reicht eine zentrale Planung für moderne Fertigungen oft nicht mehr aus?
Zentrale Planungsansätze stoßen aufgrund der hohen Dynamik, Komplexität und der auftretenden Störungen in realen Werkstattfertigungen an ihre Grenzen, da sie oft nicht schnell genug oder gar nicht auf kurzfristige Änderungen reagieren können.
- Arbeit zitieren
- Sebastian Grundstein (Autor:in), 2017, Fertigungsregelung flexibler Fließfertigungen und Werkstattfertigungen zur Einhaltung von Lieferterminen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/364639
