Flexible Fertigungssysteme: Simulation der Prozesse als Hilfsmittel zur Planung und zum Test von Steuerprogrammen

123 Pages·1985·1.892 MB·German

by  S. Chmielnicki (auth.)

ISW57
Berichte aus dem Institut fOr Steuerungstechnik
der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen
der Universitat Stuttgart
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. G. Stute t
S. CHMIELNICKI
Flexible Fertigungssysteme
Simulation der Prozesse
als Hilfsmittel zur Planung und zum Test
von Steuerprogrammen
Springer-Verlag
Berlin· Heidelberg· New York· Tokyo 1985
093
Mit 45 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-540-15492-1 e-ISBN-13: 978-3-642-82525-5
001: 10.1007/978-3-642-82525-5
Das Werk isl urheberrechllich geschOlzl. Die dadurch begrOndelen Rechle, ins
besondere die der Oberselzung, des Nachdrucks, der Enlnahme von Abbildungen,
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und der Speicherung in Dalenverarbeilungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugs
weiser Verwendung, vorbehallen.
Die VergOlungsansprOche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die
"Verwertungsgesellschafl Wort", MOnchen, wahrgenommen.
© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1985
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechligl auch ohne besondere Kennzeichnung nichl zu der Annahme,
daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschulz-Gesetzgebung als
frei zu belrachlen waren und daher von jedermann benulzl werden dOr/len.
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Das Institut fOr Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrich
tungen der UniversitAt Stuttgart belaBt sich mit den neuen Entwicklungen der
Werkzeugmaschinen und anderen Fertigungseinrichtungen, die insbesondere durch
den erhOhten Anteil der Steuerungstechnik an den Gesamtanlagen gekennzeichnet
sind. Dabei stehen die numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen in Programmie
rung, Steuerung, Konstruktion und Arbeitseinsatz sowie die vermehrte Verwen-
dung des Digitalrechners in Konstruktion und Fertigung im Vordergrund des In
teresses.
1m Rahmen dleser Buchreihe sollen in zwangloser Foige drei bis lilnl Berichte pro
Jahr erschemen, in welchen ilber einzelne Forschungsarbeiten berichtet wird. Vor
zugsweise kommen hierbei Forschungsergebnisse, Dissertationen, Vorlesungsmanu
skripte und Seminarausarbeitungen zur VerOffentlichung.
Diese Berichte sollen dem in der Praxis stehenden Ingenieur zur Weiterbildung
dienen und hellen, Aulgaben aul diesem Gebiet der Steuerungstechnik zu IOsen.
Der Studierende kann mit diesen Berichten sein Wissen vertielen.
Unter dem Gesichtspunkt einer schnellen und kostengilnstigen Drucklegung wird
auf besondere Ausstattung verzichtet und die Buchreihe im Fotodruck hergestellt.
Der Herausgeber dankt dem Springer-Verlag lOr Hinweise zur AuBeren Gestaltung
und Ubernahme des Buchvertriebs.
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fOr Steuerungs
technik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen
(ISW) der Universitat Stuttgart.
Die Voraussetzungen fOr diese Arbeit wurden durch den verstor
benen Institutsleiter, Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Stute, geschaf
fen. Herr Prof. Dr.-Ing. A. Storr hat die Entwicklung des
Simulationsprogrammiersystems SIKTAS unterstOtzt. Bei ihm
bedanke ich mich fOr sein Engagement fOr die Simulation, fOr
die Anregungen zur Gestaltung der vorliegenden Arbeit und die
Ubernahme des Hauptberichts.
Herrn Prof. Dr.-Ing. H.-J. Warnecke gilt mein Dank fOr den
Mitbericht.
Durch eine fruchtbare Zusammenarbeit mit der Industrie konnte
das Simulationsprogrammiersystem SIKTAS verbessert werden. Ich
bedanke mich bei allen Partnern aus der Industrie fOr ihr mir
entgegengebrachtes Vertrauen.
Allen Kollegen der Gruppe 5, insbesondere den Herren Dipl.-Ing.
J. Mayer, Dr.-Ing. R. Ohnheiser und Dr.-Ing. H. Steinhilber,
sowie allen Mitarbeitern, Mitarbeiterinnen und Studenten des
Instituts, danke ich fOr die interessante Zusammenarbeit und
die schone, oft auch frohliche Zeit.
Siegmund Chmielnicki
-5-
Inhaltsverzeichnis Seite
Einleitung 10
2 Simulationssprachen und -programmiersysteme 12
3 Anforderungen an ein Simulationssystem zur 16
diskreten Simulation flexibler Fertigungs
systeme
4 Modellerstellung 22
4.1 Simulationsgerechte ProzeBbeschreibung 24
4.1 .1 Hilfsmittel zur Modellbildung bei haufig ein 25
gesetzten Simulationssprachen und -systeme
4.1 .2 Mogliche Hilfsmittel fur eine simulationsge 27
rechte ProzeBbeschreibung und ihre Eignung
4.2 ProzeBbeschreibung mit dem Simulationsgraphen 32
4.2.1 Graphische Grundelemente eines Simulations 32
graphen
4.2.2 Fundamentale ProzeBbeschreibungselemente 33
4.2.3 Beschreibung der ProzeBsteuerung 37
4.2.4 Definition der Grundelemente eines Simulations 38
graphen
4.2.5 Der Simulationsgraph als Vorlage zur Program 41
mierung des Simulationsmodells
5 Modelldarstellung 44
5.1 Moglichkeiten der Modelldarstellung 44
5.2 Bewertung der Moglichkeiten zur Modelldarstel 45
lung
5.3 Simulation mit einer allgemeinen hoheren Pro 46
grammiersprache
5.3.1 Modelldarstellungsprinzipien 47
5.3.2 Hohere Programmiersprachen und ihre Eignung fur 49
Simulationsmodelle
5.3.3 Modularer Aufbau der Programme in Simulations 54
systemen
-6-
6 Modellkontrolle 58
6.1 Protokoll des Simulationsverlaufs durch alpha 58
numerische Ausgaben
6.2 Animation 60
6.2.1 Bildaufbau zur Animation 61
6.2.2 Bildausgabe wahrend der Simulation 63
6.2.3 Animation mit Hilfe der Blockgraphik 66
6.2.4 Animation mit Hilfe von Vollgraphik 72
7 Simulation als Planungshilfsmittel 81
7.1 Stellenwert der Simulation bei der Planung fle 83
xibler Fertigungssysteme
7.2 Auswertung von Simulationsergebnissen 86
8 Simulation als Testumgebung bei der Entwicklung 90
von Steuerprogrammen
8.1 In das Simulationsmodell integrierbare Steuer 91
programme
8.2 Strukturen von Testumgebungen fUr Steuerpro- 93
gramme
8.3 Zeitkoordinierung
9 Simulation mit dem Simulationssystem SIKTAS 97
9.1 Beispiel einer Aufgabenstellung 98
9.2 Struktur des Simulationsmodelles in diesem Bei 99
spiel
9.3 Ergebnisse aus Simulationsexperimenten 103
9.4 Hinweise auf weitere Anwendungsbeispiele und Er- 104
fahrungen
10 Ausblick auf weiterfUhrende Arbeiten 106
11 Zusammenfassung 108
Schrifttum 110
-7-
AbkUrzungen und Kurzdefinitionen
ANEVENT analysis laboratory discrete event
ALGOL algorithmic language
BASIC beginners all symbolic instruction code
(hohere Programmiersprache)
C hohere universelle Programmiersprache
CAD computer aided design
CAE computer aided engineering
CAM computer aided manufacturing
CAP computer aided planning
DNC direct numerical control
ECSL-CAPS extended control simulation language -
computer aided programming for simulation
GASP general activity simulation program
GCMS general computerized manufacturing systems
simulator
GKS Graphisches Kernsystem
GPSS general purpose simulation system
GPSS-F GPSS-FORTRAN
F-GPSS FORTRAN-GPSS
FFS flexibles Fertigungssystem
FORTRAN formula translation; technisch-naturwissen
schaftliche hohere Programmiersprache
INSIMAS interaktive Simulation von MaterialfluBsystemen
MAST manufacturing system design tool
MFSP MaterialfluB-Simulationsprogramm
NC numerical control
PASCAL universelle hohere Programmiersprache; genannt
nach dem berUhmten franz. Mathematiker
Q-GERT graphical evaluation and review technic of
queueing systems
SIKTAS Simulation komplexer technischer Anlagen und
Systeme (Simulationsprogrammsystem)
SIMAN simulating manufacturing systems
SIMFLEX graphisch-interaktiv wirkendes Simulationspro
gramm
-8-
SIMSCRIPT simulation scripture
SIMULA simulation language
SIMULAP Simulator fUr MaterialfluB- und Lagerprozesse
SLAM simulation language for alternative modelling
SPEED Simulationsprogrammiersystem
UNIX weit verbreitetes Rechnerbetriebssystem
Symbole und Bezeichnungen
Die im Text erlauterten und nur lokal verwendeten GraBen werden
an dieser Stelle nicht erwahnt.
Summenzeichen
1\
Allquantor (Allzeichen)
V
Existenzquantor (Seinszeichen)
e Elementzeichen
u Vereinigung zweier Mengen
n Durchschnitt zweier Mengen
V Disjunktion
1\ Konjunktion
-< Ordnungsrelation
Kardinalzahl
IAI
[a, bJ beidseitig abgeschlossenes Intervall
sign(a) Vorzeichen von a
i nt (a) der ganzzahlige Wert von a
(x ,y) Zahlenpaar
(x ,y ,z) Zahlentripel
N Menge der ganzen Zahlen
N+ Menge der positiven ganzen Zahlen
-9-
Indizes
z Zeile (auf dem Bildschirm)
s Spalte (auf dem Bildschirm)
Bi 1d Kennzeichen der Definitionsmenge der
Bildkoordinaten fUr Vollgraphik
-10-
1 Einleitung
Seit der ersten Inbetriebnahme eines flexiblen Fertigungssy
stems im Jahre 1967 sind bis Anfang 1983 weltweit Uber 125
Systeme in Betrieb I 1,2 I. In Bild 1.1 ist die Anzahl der
jahrlich begonnenen Installationen fUr diesen Zeitraum dar
gestellt, wobei nicht alle dieser flexiblen Fertigungssysteme
zu Beginn des Jahres 1983 in Betrieb genommen waren I 3 I. Oa
flexible Fertigungssysteme in Zukunft weit starker als bisher
zum Einsatz kommen werden, gewinnt auch die Planung flexibler
Fertigungssysteme an Bedeutung. Es hat sich in der Vergangen
heit erwiesen, daB zur Dimensionierung und zur Auswahl der
Komponenten eines flexiblen Fertigungssystems in der Planungs
phase der zeitliche Verlauf der Fertigung untersucht werden
muB I 4 I. FUr solche Untersuchungen wurden eine Reihe Yer
schiedener Methoden herangezogen. Am haufigsten wurden Ver
fahren aus der Wahrscheinlichkeitstheorie (Warteschlangentheo
rie I 5 I, Markoy'sche Prozesse I 6 I) zu Berechnungen verwen-
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L...J geschdtzte Anzahl der jiihrlichen Installationen in Japan
Bild 1.1 Anzahl der weltweit jahrlich aufgebauten und
sich im Aufbau befindlichen flexiblen Ferti
gungssysteme I 3 I.