Ein betriebsbegleitendes Fabriksimulationssystem zur durchgängigen Unterstützung der kontinuierlichen Fabrikadaption

Abstract

Häufige und schnelle Veränderungen des Unternehmensumfelds erfordern eine kontinuierliche Anpassung von Produktionssystemen. Die betriebsbegleitende Fabriksimulation eröffnet eine Möglichkeit, Handlungsalternativen risikofrei auf ihre Wirkungen zu überprüfen. Bei kurzfristigen Problemstellungen sind dazu realitätsnahe Simulationsmodelle rasch und effizient auf Grundlage des aktuellen Fabrikzustands zu erstellen. Für die Planung von längerfristigeren umfassenderen Veränderungen müssen weitere Gestaltungswerkzeuge eng in den Planungsprozess integriert werden können. Die meisten derzeit betriebsbegleitend eingesetzten Simulationssysteme gestatten eine kurzfristige Vorhersage des Verhaltens von Produktionssystemen. Allerdings können wesentliche Fabrikadaptionsoptionen nicht abgebildet werden. Dagegen bewährten sich Gestaltungswerkzeuge der Digitalen Fabrik bei der Konzeption von längerfristigen Fabrikveränderungen. Die aktuell in diesem Rahmen verwendeten Datenmodelle zeigen sich allerdings für die realitätsnahe Fabriksimulation als zu grob. Angesichts dieser Defizite wurde ein bei der Fabrikgestaltung etabliertes Datenmodell um operativ vorkommende Abstraktionen erweitert, hierdurch lassen sich aktuelle und historische Produktionszustände realitätsnah abbilden. Darauf aufbauend unterstützt eine Szenarien-Kopplungsfunktion die effiziente datengetriebene Definition von Simulationsszenarien und gestattet später deren automatisierte Aktualisierung. Auf dieser Datenbasis erzeugt ein Generator ein funktionsfähiges Simulationsmodell. Das zugrunde liegende unternehmensspezifische Referenzmodell ermöglicht es einerseits, kurzfristige Handlungsoptionen rasch zu erstellen und ist andererseits selbst adaptionsfähig und erweiterbar, sodass größere Fabrikadaptionen modelliert werden können. Einen bedeutsamen Beitrag für die Realitätsnähe der Experimente leistet das neu entwickelte dynamische Initialisierungsverfahren. Durch eine dezentrale Funktionsweise integriert es sich durchgängig in den Referenzmodellansatz und stützt so die Adaptionsfähigkeit des Fabriksimulationssystems. Während der Simulation werden Rückmeldungen erzeugt und in der erweiterten Datenplattform, entsprechend den Rückmeldungen realer Abläufe, gespeichert. Analyse- und Engineeringwerkzeuge können so durchgängig reale oder simulierte Fabrikzustände weiterverwenden. Die Praxistauglichkeit wurde durch die prototypische Implementierung und die Durchführung von typischen Fallbeispielen (kurzfristige Lieferterminermittlung, mittelfristige Parametrierung des Dispositionssystems, Investitionsabsicherung und längefristige Produktionserweiterung) eines Herstellers von Armaturen gezeigt. Aufgrund der unternehmensneutralen Formulierung des Lösungsansatzes ist eine Übertragung auf andere Unternehmen möglich. Diese Arbeit weist so den Weg zu einer durchgängigen und kontinuierlichen Fabriksimulation als wichtigen Aspekt zur Erhöhung der Wandlungsfähigkeit produzierender Unternehmen.

Frequent and brisk changes in business environments as well as massive global competition require continuous planning and adaption of production systems at a high level of planning quality. Based on the current production situation, the right processes have to be optimized and plant structures have to be adjusted to the purpose of the overall system. But mere expert estimates of the impact of measures fail in complex systems. By means of factory simulation in parallel to operation, different action alternatives can be checked on their short-, middle- and long-term impacts without any risks. Most simulation systems currently used in parallel to operation allow short-term predictions of the behavior of production systems in the immediate future. Indeed, essential adaptation options of factory systems cannot be mapped in these simulation systems, thus these options cannot be considered as potential solutions. Otherwise engineering tools of the digital factory proved to be appropriate for long-term formative questions. To allow integrated planning, these tools were connected with a common data platform. However, currently used data models of these platforms are too coarse for factory simulation close to reality. In view of these deficits, a data model used for factory planning was extended in this work by operational abstractions. Thus it was possible to store topical and historical production states in such an enlarged digital factory and to define simulation experiments close to reality. To support mostly iterative experimental processes, a scenario coupling mechanism was implemented. In addition, this approach offers a possibility to update planning models based on operational enterprise data. On this basis a model generator creates a functioning simulation model according to a reference model. To promote effective modeling, the reference model has to be tailored to the enterprise and its adaption possibilities. This architecture, on the one hand, allows the preparing of short-term options for quick and efficient actions and, on the other hand, it is extendable and adaptable. Thus bigger factory adaptations can also be modeled. A developed dynamic initialization procedure makes a significant contribution to carry out realistic experiments. With a decentralized functionality, it integrates itself closely into the reference model approach and supports the adaptation abilities of the system. Thus the introduced factory simulation system supports the following application fields ubiquitously: • Proactive checking of action and adaptation needs in operation • Configuration of the factory systems by utilizing the action options for the production systems available on short call • Adaptation of factory systems exceeding a predefined scope of action • Planning of transformation processes The practical suitability of the solution was confirmed by the prototypical implementation in case studies with a manufacturer of taps. This thesis shows the way to integrated and continuous factory simulation being an important aspect for enhancing transformability and thus competitiveness of producing enterprises.