Ablaufplanung bei Werkstattfertigung: Simulationsgestützte Analyse von Steuerungs- und Koordinationsregeln

300 Pages·1996·7.484 MB·German

by  Oliver Holthaus (auth.)

Holthaus
Ablaufplanung bei Werkstattfertigung
GABLER EDITION WISSENSCHAFT
Oliver Holthaus
Ablaufplanung bei
Werkstattfertigung
Simulationsgestützte Analyse von
Steuerungs- und Koordinationsregeln
Mit einem Geleitwort
von Prof. Dr. Otto Rosenberg
DeutscherUniversitätsVerlag
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ISBN 978-3-8244-6395-4 ISBN 978-3-322-91485-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91485-9
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Für meine Eltern Rita und Dieter Holthaus
Geleitwort
Im Rahmen der Planung der Produktionsdurchführung sind Losgrößen, Bearbeitungsrei
henfolgen und Termine für zu fertigende Aufträge sowie die Verteilung der durchzuführen
den Arbeitsgänge auf die zur Verfügung stehenden Fertigungsteilsysteme festzulegen. Die
Lösung dieser Teilaufgaben hat grundsätzlich unter Berücksichtigung ihrer gegenseiti
gen Abhängigkeiten zu erfolgen. Wegen des Umfangs und des Schwierigkeitsgrads der
Problemstellung ist die Umsetzung dieses allgemeinen Tatbestandes bisher weder in der
Theorie noch in der Praxis gelungen. Die vorhandenen Lösungskonzepte gehen von der
sukzessiven Abarbeitung der Teilprobleme aus. So wird im Rahmen der Reihenfolge
planung für einen vorgegebenen Planungszeitraum festgelegt, welche Aufträge in welcher
Reihenfolge in den verschiedenen Fertigungsteilsystemen eines Produktionssystems bear
beitet werden sollen. Für die Entwicklung von praktikablen Lösungskonzepten wird die
ses Teilproblem in der Weise weiter eingeschränkt, daß die Auftragsreihenfolge für jedes
Fertigungsteilsystem unabhängig von den anderen Teilsystemen bestimmt wird, Inter
dependenzen zwischen den Teilsystemen also vernachlässigt werden. Zur zielabhängigen
Ermittlung von Reihenfolgen je Fertigungsteilsystem wurde in den vergangenen vier Jahr
zehnten eine kaum noch überschaubare Anzahl an Verfahren entwickelt. Dennoch ist das
Reihenfolgeproblem bislang noch nicht befriedigend gelöst.
Oliver Holthaus macht es sich zur Aufgabe, die Zielerreichungsgrade bei der Lösung des
Reihenfolgeproblems durch eine geeignete Koordination der Auftragsreihenfolgeentschei
dungen in den Fertigungsteilsystemen zu verbessern. Für seine Überlegungen legt er da
bei ein dynamisches stochastisches Werkstattfertigungssystem zugrunde, das durch sto
chastische Ankunftszeitpunkte für die Aufträge, stochastische Ressourcenverfügbarkeit,
stochastische Bearbeitungszeiten und durch technologisch bedingte unterschiedliche Ar
beitsgangfolgen für die zu bearbeitenden Aufträge gekennzeichnet ist.
Mit der Vorausschauenden Auftragsnachfrage mit Arbeitsvorratsschranke entwickelt Oli
ver Holthaus einen neuartigen Koordinationsansatz zur dynamischen Abstimmung der
Auftragsreihenfolgen in den Fertigungsteilsystemen. Der zunächst für störungsfreie Pro
duktionssysteme konzipierte Ansatz wird anschließend für durch Maschinenausfälle zeit
weilig gestörte Fertigungsteilsysteme modifiziert. Für Produktionssysteme mit zeitwei
ligen Störungen werden darüber hinaus zwei Störungsreaktionsmechanismen entworfen.
Im Rahmen einer auf der statistischen Versuchsplanung basierenden äußerst umfangrei
chen Simulationsstudie weist Herr Holthaus nach, daß mit den von ihm vorgeschlagenen
Steuerungskonzepten signifikante Verbesserungen der Zielerreichungsgrade bei der Rei
henfolgeplanung möglich sind. Die Simulationsstudie liefert zusätzlich viele interessante
Ergebnisse, die das Wissen über die Anwendbarkeit, Effizienz und problemspezifische Vor
teilhaftigkeit der zur Werkstattsteuerung eingesetzten Regeln wesentlich erweitern und
insbesondere auch die zielbezogenen Konsequenzen des zeitweiligen Ausfalls von Ferti
gungsteilsystemen differenziert aufdecken. Die Simulationsstudie ist eingebettet in einen
VII
von Oliver Holthaus problemorientiert entwickelten Ansatz zur statistischen Planung und
Analyse von Simulationsexperimenten, der in seiner allgemeinen Form als Leitfaden für
ähnliche Untersuchungen dienen kann.
Die vorliegende Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zum wissenschaftlichen Fort
schritt und gibt darüber hinaus sowohl für weitere Forschungen als auch für die Praxis
der Produktionssteuerung eine Vielzahl von Anregungen. Wir wünschen ihr daher eine
weite Verbreitung.
Prof. Dr. Otto Rosenberg, Padcrborn
Prof. Dr. Hans Ziegler, Pass au
VIII
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeiten als wissenschaftlicher
Angestellter am Fachbereich Wirtschaftswissenschaften der Universität-Gesamthochschule
Paderborn und als wissenschaftlicher Angestellter der Wirtschaftswissenschaftlichen Fa
kultät der Universität Passau. Für die wissenschaftliche Betreuung spreche ich an dieser
Stelle Herrn Prof. Dr. Otto Rosenberg und Herrn Prof. Dr. Hans Ziegler einen besonderen
Dank aus.
Oliver Holthaus
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Charakterisierung von Werkstattsteuerungsproblemen 5
2.1 Grundlagen und Prämissen ......... . 5
2.1.1 Grundlagen der Werkstattsteuerung . 5
2.1.2 Prämissen ........... . 6
2.2 Zielsetzungen der Werkstattsteuerung . 7
2.2.1 Notationen ........ . 7
2.2.2 Definition der Zielsetzungen 8
2.2.2.1 Durchlaufzeitorientierte Zielsetzungen 8
2.2.2.2 Belegungszeit- und kapazitätsorientierte Zielsetzungen 10
2.2.2.3 Terminorientierte Zielsetzungen 11
2.2.3 Zielsysteme mit mehrfacher Zielsetzung . 14
2.3 Komplexität von Werkstattsteuerungsproblemen . 15
2.3.1 Notation zur Darstellung von Werkstattsteuerungsproblemen . 15
2.3.2 Grundlagen zur Algorithmenanalyse . 16
2.3.3 Die Klassen P und NP . . . . . . . . 18
2.3.4 NP-schwierige Werkstattsteuerungsprobleme 20
2.3.5 Komplexität von dynamischen stochastischen Werkstattsteuerungs-
problemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
3 Steuerung und Koordination dynamischer stochastischer Werkstattfer-
tigungssysteme 23
3.1 Grundlegende Aspekte zur Lösung von Werkstattsteuerungsproblemen . 23
3.2 Dezentrale Steuerung dynamischer stochastischer Werkstattfertigungssy-
steme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
XI
3.2.1 Klassifikation von dezentralen Steuerungsregeln 25
3.2.2 Wesentliche Steuerungsregeln 26
3.2.2.1 Notationen ..... 26
3.2.2.2 Lokale Steuerungsregeln 27
3.2.2.3 Globale Steuerungsregeln 31
3.2.2.4 Kombination von Steuerungsregeln 33
3.3 Koordination von dezentralen Werkstattsteuerungsregeln 35
3.3.1 Motivation für die Entwicklung von Koordinationsregeln 35
3.3.2 Vorausschauende Auftragsnachfrage 35
3.3.3 Störungsreaktionsregeln 47
3.3.3.1 Vorausschauende Auftragsnachfrage bei der Berücksichti-
gung von Maschinenausfällen . . . . . . . . . . . . . . .. 47
3.3.3.2 Auftragsrückstellung in den unmittelbar vorgelagerten Teil-
systemen ........................... 51
3.3.3.3 Auftragsrückstellung in den mittelbar und unmittelbar vor
gelagerten Teilsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
4 Planung einer simulationsgestützten Analyse dezentraler Werkstattsteue-
rungs- und -koordinationsregeln 61
4.1 Grundlegende Aspekte zur Simulation von Werkstattfertigungssystemen . 61
4.2 Parameter von Simulationsmodellen zur Werkstattsteuerung 64
4.2.1 Problemspezifische Modellparameter 64
4.2.1.1 Anzahl der Maschinen . . . 64
4.2.1.2 Verteilung der Zwischenankunftszeiten und Größe des Ka-
pazitätsauslastungsgrads . . . . 65
4.2.1.3 Verteilung der Maschinenfolgen 66
4.2.1.4 Verteilung der Bearbeitungszeiten . 67
4.2.1.5 Vorgabe der Fertigstellungstermine 67
4.2.1.5.1 Statische Terminvergabemethoden 67
4.2.1.5.2 Dynamische Terminvergabemethoden 69
4.2.1.6 Verteilung der Ausfalls- und Zwischenausfallszeiten 70
4.2.2 Statistische Modellparameter 71
4.2.2.1 Phasen einer Simulation 71
XII