Digitale Fabrik - Fabriksimulation für Produktionsplaner

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1 Was ist eine Digitale Fabrik

1.1 Ziele der Digitalen Fabrik

1.1.1 Verbesserung der Wirtschaftlichkeit

1.1.2 Verbesserung der Planungsqualität

1.1.3 Transparente Kommunikation

1.1.4 Standardisierung von Planungsprozessen

1.1.5 Verbesserung der Wissensbasis

1.2 Aufgaben der Digitalen Fabrik

1.2.1 Produktentwicklung

1.2.2 Fabrik- und Produktionsplanung

1.2.3 Inbetriebnahme und Anlauf der Produktion

1.2.4 Produktionsbetrieb und Auftragsmanagement

1.3 Modelle der Digitalen Fabrik

1.3.1 Synergie durch Vernetzung der Modelle

1.3.2 Anforderungen an die Systemarchitektur der Digitalen Fabrik

1.4 Visualisierung der Digitalen Fabrik

1.5 Simulation der Digitalen Fabrik

1.6 Nutzen und Aufwand von Simulation

2 Technische Grundlagen der Simulationstechnik

2.1 Allgemeine Modelltheorie

2.1.1 Modellbegriff

2.1.2 Grundsätzliches zum Modellieren von Systemen

2.1.3 Qualitatives Modellieren von Systemen

2.1.4 QuantitativeModellkonzepte für dynamische Systeme

2.2 Vorgehensweise der Systemabgrenzung und Systemanalyse

2.2.1 Systemabgrenzung

2.2.2 Analyse des Systemzwecks und der globalen Systemeigenschaften

2.2.3 Analyse der Systemstruktur

2.2.4 Analyse der einzelnen Systemelemente

2.2.5 Wirkungsanalyse und Analyse der Ablaufstruktur

2.2.6 Darstellung der Analyse und Modellierung

2.3 Discrete-Event-Simulation

2.4 3D-Kinematik-Simulation

2.5 Mehrkörpersimulation

2.6 Prozesssimulation

3 Simulationsanwendungen der Digitalen Fabrik

3.1 Dezentrale Anwendungen mit zentraler Datenhaltung

3.2 Hierarchisches Modellierungskonzept

3.3 Layoutplanung und Simulation zur Layoutbewertung

3.4 Statische Untersuchung von Logistik- und Produktionsflüssen

3.5 Dynamische Simulation von Logistik- und Produktionsflüssen

3.6 Simulation zur Ermittlung der Systemverfügbarkeit

3.7 Planung und Simulation der Montageprozesse

3.7.1 Integrierte Datenplattform zur Montageplanung

3.7.2 Montagevisualisierung und -simulation

3.8 Robotik und komplexe Bewegungen

3.8.1 Robotermodellierung

3.8.2 Planung automatisierter Roboterzellen

3.8.3 Offline-Programmierung

3.9 Simulation in der Teilefertigung

3.10 Simulation von Personal

3.10.1 Simulation der Personallogistik

3.10.2 Personalorientierte Simulation

3.10.3 Ergonomie-Simulation

3.11 Simulation von Betriebsmittelbau und -logistik

3.12 Simulation in der Automatisierungstechnik

3.13 Simulation im operativen Betrieb

3.13.1 Überprüfung des aktuellen Produktionsprogramms und der Produktionsplanung

3.13.2 Verbesserung der Feinplanung und Produktionssteuerung

3.13.3 Operative Simulation zum kontinuierlichen Redesign der Fabrik

3.13.4 Anspruch an Modelle für den operativen Betrieb

3.13.5 Daten und Schnittstellen für die operative Simulation

3.13.6 Nutzer operativer Simulation

3.14 Referenzmodelle

4 Simulationsstudien

4.1 Prinzipieller Ablauf von Simulationsstudien

4.1.1 Systemdefinition, Zielfestlegung und Lastenheft

4.1.2 Modellentwurf

4.1.3 Implementierung des Modells

4.1.4 Modellverifikation

4.1.5 Datenbeschaffung

4.1.6 Validierung

4.1.7 Simulationsversuchsplanung

4.1.8 Durchführung Simulationsläufe

4.1.9 Laufbetrachtung und Ergebnisauswertung

4.1.10 Systemvariation und Optimierung

4.1.11 Praktische Umsetzung der Simulationsergebnisse

4.2 Typische Fehler vermeiden

5 Lastenheft, Pflichtenheft und Spezifikation

5.1 Lastenheft

5.1.1 Spezifikation der Anforderungen

5.1.2 Voraussetzungen und Rahmenbedingungen für die Leistungserstellung

5.1.3 Anforderungen an den Auftragnehmer

5.1.4 Anforderungen an das Projektmanagement

5.1.5 Vertragliche Konditionen

5.1.6 Unternehmen, Zuständigkeiten und Ansprechpartner

5.2 Pflichtenheft

5.2.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung

5.2.2 Eingangsdaten und Eingangsvoraussetzungen

5.2.3 Leistungsbeschreibung des Simulationsmodells

5.2.4 Spezifikation der Simulationsszenarien und Simulationsexperimente

5.2.5 Ergebnisdarstellung und Auswertung

5.2.6 Lieferumfang

5.2.7 Abnahmekriterien

5.2.8 Projektterminplan und Projektcontrolling

5.2.9 Projektumfeld

6 Datenmanagement für Simulationsanwendungen

6.1 Merkmale zur Beurteilung von Information

6.2 Aufgaben des Datenmanagements

6.3 Datenerhebung und Messen

6.4 Simulationsdatenbasis

6.5 Eingangsdaten für die Simulation

6.5.1 Technische Daten der Produktions- und Logistiksysteme

6.5.2 Daten der Produktionsplanung und -steuerung

6.5.3 Organisationsdaten

6.5.4 Kostendaten (optional)

6.6 Datenaufbereitung stochastischer Daten

6.6.1 Logiken von Anlagen- und Maschinensteuerungen

6.7 Ergebnisdaten

7 Versuchsplanung, Simulationsdurchführung und Auswertung der Simulationsergebnisse

7.1 Statistische Experimentplanung

7.2 Experimentplan

7.3 Durchführung der Simulationsläufe

7.4 Auswertung der Simulationsergebnisse

7.4.1 Datenaufbereitung

7.4.2 Statistische Auswertung

7.4.3 Interpretation der Ergebnisdaten

7.4.4 Bewertung von Varianten

7.5 Grafische Darstellung von Simulationsergebnissen

8 Optimierung mit Hilfe von Simulation

8.1 Grundsätzliche Vorgehensweise

8.1.1 Parameteroptimierung

8.1.2 Kombinatorische Optimierung und Reihenfolgenoptimierung

8.2 Gütefunktion zur Systembewertung

8.3 Optimierungsverfahren

8.3.1 Technik der iterativen Verbesserung

8.3.2 Rastersuche

8.3.3 Gradienten- und stochastische Verfahren

8.3.4 Genetische und evolutionäre Algorithmen

8.4 Auswahl eines geeigneten Optimierungsverfahrens

8.5 Kopplung von Simulation und Optimierung

9 Simulation als integriertes Werkzeug der Digitalen Fabrik

9.1 Planungsaspekte beim Einsatz von Simulation in der Digitalen Fabrik

9.1.1 Organisatorische Aspekte

9.1.2 Zeitliche Aspekte

9.1.3 Betriebswirtschaftliche Aspekte

9.1.4 Technische Voraussetzungen

9.1.5 Qualität der Ergebnisse

9.1.6 Psychologische Aspekte

9.2 Vorbereitungsphase

9.2.1 Analyse der Einsatzfelder

9.2.2 Istanalyse

9.2.3 Verfügbare Planungs- und Simulationswerkzeuge

9.3 Konzepterstellung

9.3.1 Definition der Planungsprozesse

9.3.2 Projektorganisation

9.3.3 Systemarchitektur

9.3.4 Personalquali.kation

9.3.5 Pilotanwendung

9.3.6 Konzeptbewertung

9.4 Umsetzung der Digitalen Fabrik

9.5 Systemisches Denken und Handeln

9.5.1 Vernetztes Denken

9.5.2 Denken in Modellen

9.5.3 Dynamisches Denken

9.5.4 Systemgerechtes Handeln

10 Softwarewerkzeuge

10.1 Klassifikation von Simulationswerkzeugen

10.1.1 Simulatoren auf Sprachkonzeptebene

10.1.2 Bausteinsimulatoren

10.1.3 Multi-Level-Simulatoren

10.1.4 Softwaretechnologie

10.2 Historische Entwicklung der Fabriksimulatoren

10.3 Digital Factory Solution von DELMIA

10.3.1 Produkt- und Prozessstrukturierung, Fertigungsgestaltung, Logistik und Optimierung

10.3.2 Dynamische Ergonomieuntersuchungen

10.3.3 Teilefertigung

10.3.4 DELMIA DPM V5 Machining

10.3.5 Robotik

10.3.6 Automatisierungstechnik

10.3.7 Geometrieorientierte Montageplanung

10.3.8 Operative Produktionsplanung

10.3.9 Integration und Managementinformationssystem

10.4 Digital Factory Solution von UGS

10.4.1 Fabriklayout Logistik und Optimierung

10.4.2 Ergonomieuntersuchungen

10.4.3 Teilefertigung

10.4.4 Robotik und Steuerungsprogrammierung

10.4.5 Montageplanung

10.4.6 Operative Produktionsplanung

10.4.7 Produktionsmanagement

10.4.8 Integration und Managementinformationssystem

10.5 Weitere Fabriksimulationswerkzeuge

10.5.1 Arena

10.5.2 AutoMod

10.5.3 AutoSched/AutoSched AP

10.5.4 Enterprise Dynamics

10.5.5 Flexsim

10.5.6 ProModel

10.5.7 WITNESS

11 Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik

11.1 Wahrscheinlichkeit

11.2 Zufallsvariable

11.2.1 Diskrete Zufallsvariablen

11.2.2 Kontinuierliche Zufallsvariablen

11.3 Wahrscheinlichkeitsverteilung

11.4 Kennzahlen

11.5 Stochastische Verteilungen für Simulationsanwendungen

11.6 Gleichverteilung (diskret)

11.6.1 Beispiel Würfeln

11.7 Gleichverteilung (kontinuierlich)

11.8 Normalverteilung

11.9 Logarithmische Normalverteilung

11.10 Exponentialverteilung

11.11 Weibull-Verteilung

11.12 Pearson Type V

11.13 Dreiecksverteilung

11.13.1 Anwendung von Verteilungen

11.14 Methoden der statistischen Datenanalyse

11.14.1 Parameterabschätzung

11.14.2 Goodness-of-Fit-Tests

11.14.3 Chi-Square-Test

11.14.4 Kolmogorov-Smirnov-Test

11.15 Statistische Absicherung von Simulationsergebnissen

11.15.1 Analyse zur Ermittlung des eingeschwungenen Zustandes

11.15.2 Analyse der Ergebnisse eines einzelnen Systems

11.15.3 Vergleich alternativer Systemkonfigurationen

11.16 Tabelle t-Verteilung

11.17 Verwendete Formelzeichen

11.18 Materialien für die Praxis

12 Lastenheft und Ausschreibungsunterlage

12.1 Spezifikation der Anforderungen

12.1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung der Simulation

12.1.2 Layout und Systemgrenzen

12.1.3 Technische Daten der Produktions- und Logistikmodule

12.1.4 Materialfuss

12.1.5 Anforderungen an das Modell

12.1.6 Zu untersuchende Szenarien und Simulationsexperimente

12.1.7 Anforderungen an die Auswertung und Ergebnisdarstellung

12.1.8 Anforderung an den Lieferumfang

12.1.9 Modellintegration

12.1.10 Projektterminplan

12.2 Voraussetzungen und Rahmenbedingungen für die Leistungserstellung

12.2.1 Eingangsdaten für die Simulation

12.2.2 Vorhandene Planungsergebnisse

12.2.3 Simulationswerkzeuge und Bausteinbibliotheken

12.2.4 Entwicklungs- und Qualitätsvorgaben

12.3 Anforderungen an den Simulationsdienstleister

12.4 Anforderungen an das Projektmanagement

12.5 Vertragliche Konditionen

12.5.1 Abnahmekriterien

12.5.2 Rechte am Modell

12.5.3 Vertraulichkeit, Rückgabe, Copyright

12.6 Zuständigkeiten, Ansprechpartner und Planungsumfeld

12.6.1 Organisationsstruktur des Auftraggebers

12.6.2 Rückfragen zu den Ausschreibungsunterlagen

12.6.3 Angebotsabgabe

12.6.4 Geschäftsbedingungen

13 Leitfaden für Simulationsprojekte

13.1 Spezifikation und Dokumentation

13.2 Vorgehensmodell für den Projektablauf

13.3 Modellierungsrichtlinie

13.3.1 Allgemeines zur Modellierung

13.3.2 Modell- und Ordnernamen

13.3.3 Dateibezeichnung

13.3.4 Modellstruktur

13.3.5 Aufbau der Klassenbibliothek

13.3.6 Aufbau der Modellnetzwerke

13.3.7 Datenverwaltung

13.4 Programmierrichtlinie

13.4.1 Allgemeines zur Programmierung

13.4.2 Methodendokumentation

13.4.3 Variablenbenennung

13.5 Richtlinie Simulationsdurchführung

13.5.1 Experimentplan

13.5.2 Verwendung von stochastischen Verteilungen (Seed-Werten)

13.6 Voraussetzungen

13.6.1 Einzusetzende Softwarewerkzeuge

13.6.2 Organisation, Zuständigkeiten und Ansprechpartner

13.6.3 Gültigkeit dieser Richtlinie

14 Checklisten

14.1 Checkliste Simulationsstudien

14.2 Checkliste zur Leistungsbeschreibung des Lastenheftes

14.3 Checkliste zur Leistungsbeschreibung des Pflichtenheftes

14.4 Checkliste Eingangsdaten für die Simulation

14.5 Checkliste Simulationsdokumentation

14.6 Checkliste zur Abnahme von Simulationsstudien

14.7 Checkliste Simulatorauswahl

14.7.1 Simulationsprinzip

14.7.2 Größe und Struktur der Modelle

14.7.3 Modellierung

14.7.4 Modellelemente

14.7.5 Bausteinbibliotheken und Applikationsmodule

14.7.6 Steuerungen und Informationsverarbeitung

14.7.7 Modellparameter – stochastische Verteilung

14.7.8 Funktionalitäten zur Bewegungssimulation

14.7.9 Einschränkungen bei der Modellierung

14.7.10 Modelldokumentation

14.7.11 Unterstützung bei Verifikation und Validierung

14.7.12 Organisation von Simulationsexperimenten und Optimierung

14.7.13 Durchführung von Simulationsläufen

14.7.14 Laufbetrachtung und Visualisierung

14.7.15 Ergebnisauswertung und Ergebnisdarstellung

14.7.16 Systemintegration und Schnittstellen

14.7.17 Benutzerschnittstelle

14.7.18 Systemanforderungen

14.7.19 Schulung und Service

14.7.20 Kosten

14.7.21 Softwareanbieter

15 Weiterführende Informationen

15.1 Glossar

15.2 Abkürzungsverzeichnis

15.3 Schnittstellen und Datenaustauschformate

15.4 Anbieter von Simulationssoftware

15.5 Organisationen

15.6 Regelmäßige Konferenzen

15.7 Technische Regeln, Literatur und Links

15.8 Literatur

Stichwortverzeichnis

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