Table Of ContentForschungsberichte . Band 32
Berichte aus dem
Institut fur Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften
der Technischen UniversiUit Munchen
Herausgeber: Prof. Or.-Ing. J. Milberg
Helmut Hartberger
Wissensbasierte Simulation
komplexer Produktionssysteme
Mit 58 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo Hong Kong 1991
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1991
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-oder Markenschutz-Gesetzgebung als
frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften.
Gesamtherstellung: Hieronymus Buchreproduktions GmbH, Munchen
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Die Verbesserung der Fertigungsmaschinen, der Fertigungsverfahren und der Fer
tigungsorganisation zur Steigerung der Produktivitat und Verringerung der Ferti
gungskosten ist eine standige Aufgabe der Produktionstechnik. Die Situation in
der Produktionstechnik ist durch abnehmende FertigungslosgroBen und zuneh
mende Personalkosten sowie durch eine unzureichende Nutzung der Produktions
anlagen gepragt. Neben den Forderungen nach einer Verbesserung der Mengen
Ieistung und der Arbeitsgenauigkeit gewinnt die Steigerung der Flexibilitat von
Fertigungsmaschinen und Fertigungsablaufen immer mehr an Bedeutung. In zu
nehmendem MaGe werden Programme, Einrichtungen und Anlagen fiir rechner
gestiitzte und flexibel automatisierte ProduktionsabIaufe entwickelt.
Ziel der Forschungsarbeiten am Institut flir Werkzeugmaschinen und Bertriebs
wissenschaften der Technischen Universitat Miinchen (iwb) ist die weitere Ver
besserung der Fertigungsmittel und Fertigungsverfahren im Hinblick auf eine Op
timierung der Arbeitsgenauigkeit und Mengenleistung der Fertigungssysteme.
Dabei stehen Fragen der anforderungsgerechten Maschinenauslegung sowie der
optimalen ProzeBflihrung im Vordergrund. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Ent
wicklung fortgeschrittener Produktionsstrukturen und die Erarbeitung von Kon
zepten flir die Automatisierung des Auftragsdurchlaufs. Das Ziel ist eine Integra
tion der technischen Auftragsabwicklung von der Konstruktion bis zur Montage.
Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Bande stammen thematisch aus
den Forschungsbereichen des iwb: Fertigungsverfahren, Werkzeugmaschinen,
Fertigungsautomatisierung und Montageautomatisierung. In ihnen werden neue
Ergebnisse und Erkenntnisse aus der praxisnahen Forschung des iwb verOffent
licht. Diese Buchreihe soli dazu beitragen, den Wissenstransfer zwischen dem
Hochschulbereich und dem Anwender in der Praxis zu verbessern.
Joachim Milberg
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissensehaft
lieher Mitarbeiter am lnstitut flir Werkzeugmasehinen und Betriebswissensehaf
ten (iwb) der Teehnisehen Universitat Miinehen.
Herro Prof. Dr.-Ing. J. Milberg, dem Leiter des Instituts, gilt mein besonderer
Dank flir die tatkrafige Unterstiitzung und wohlwollende Fiirderung sowie die
wertvollen Hinweise, die zum erfolgreiehen Gelingen der Arbeit entseheidend
beigetragen haben.
Herro Prof. Dr.-Ing. K. Ehrlenspiel, dem lnhaber des Lehrstuhls flir Konstruktion
im Masehinenbau, danke ich flir die kritisehe Durehsicht der Arbeit und die Uber
nahme des Koreferats.
Desweiteren danke ieh allen Mitarbeitem des iwb und allen Studenten, die mieh
bei der Erstellung der Arbeit unterstiitzt haben. Mein besonderer Dank gilt HeITn
Dipl.-Ing. W. Amann und Herro Dr.-Ing. H.-J. Heusler flir die langjahrige und
fruehtbare Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Simulation.
Karlsfeld, im Juli 1990 Helmut Hartberger
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Einfiihrung
1.2 Ziel der Arbeit 2
2. Systemtechnische Betrachtung komplexer Produktionssysteme 4
2.1 Situationsanalyse der Produktionstechnik 4
2.2 Systemtechnische Ansatze in der Produktionstechnik 6
2.3 Komplexitat von Produktionssystemen 12
2.4 Analyse des Material- und Informationsflusses in Produktionsanlagen 17
2.4.1 MaterialfluB 17
2.4.2 InformationsfluB 21
2.4.3 Kopplung des Materialflusses mit dem InformationsfluB 25
2.5 Nutzungssicherung von Produktionssystemen 27
3. Planung und Simulation komplexer Produktionsanlagen 32
3.1 Strukturierung der Planung und des Planungsvorgehens 32
3.2 Planen mit Modellen 39
3.3 Modelle und Methoden in der Anlagenplanung 42
3.4 Anlagensimulation 48
3.4.1 Abgrenzung der Anlagensimulation 48
3.4.2 Aufgaben und Ziele bei der Anlagensimulation 51
3.4.3 Vorgehen bei der Anlagensimulation 53
4. Stand wissensbasierter Systeme und Simulationsysteme 59
4.1 Wissensbasierte Systeme 59
4.1.1 Wissensbasierte Systeme und Expertensysteme 59
4.1.2 Wissensreprasentation und Wissensverarbeitung 64
4.1.3 Objektorientierte Programmierung 69
4.2 Simulationssysteme zur Anlagensimulation 73
4.2.1 Konventionelle Simulationssysteme 73
4.2.2 Wissensbasierte Systeme und Simulation 78
4.2.3 Wissensbasierte Simulationssysteme 82
5. Entwicklung einer wissensbasierten Simulationsumgebung 85
5.1 Zielsetzung 85
5.2 Konzept einer wissensbasierten Simulationsumgebung 88
5.2.1 Wissensbasierte Modellierung von Produktionsstrukturen 88
5.2.2 Modellzentrierte Anwendung von Methoden 91
5.2.3 Bedienerfreundliche Oberflachen 93
5.2.4 Systemansatz einer wissensbasierten Simulationsumgebung 93
6. Die realisierte Simulationsumgebung PLATO-SIM 96
6.1 Aufbau der wissensbasierten Bausteinbibliothek 96
6.2 Arbeiten mit graphischen Oberflachen 100
6.3 Module der Simulationsumgebung 107
6.3.1 Aufgaben der Module 107
6.3.2 Modellaufbau und Modellkontrolle 109
6.3.3 Simulationsdurchftihrung 113
6.3.4 Datenauswertung 115
6.3.5 Datenverwaltung 116
6.4 PLATO-SIM -eine integrierte Simulationsumgebung 118
7. Simulationsstudien mit PLA TO-SIM 121
7.1 Modell eines PKW-Hinterbaus 121
7.2 Simulationsmodell eines kompletten PKW -Rohbaus 125
7.3 Erfahrungen und Bewertung der Simulationsstudien 134
8. Zuktinftige Entwicklungen 137
9. Zusammenfassung 142
Literaturverzeichnis 145
II
1. Einleitung
1.1 EinfOhrung
Ein Untemehmen ist ein offenes System, das unter den Wettbewerbsbedingungen seiner
U mwelt, des intemationalen Marktes, agiert. Durch den Ubergang yom Verkliufer-Markt
zum Kliufer-Markt haben sich die Wettbewerbsbedingungen derart gelindert, daB der
schnellen Reaktion eines Untemehmens auf sich lindemde Kundenwiinsche eine immer
groBer werdende Bedeutung zukommt. Der Zeitfaktor, wie schnell reagiert wird, spielt
hierbei eine wichtige Rolle [1]. Kurze Entwicklungszeiten und Produktionsdurchlauf
zeiten, wie auch kurzfristige Produktionsumstellungen gemliB der Marktnachfrage bei
hoher Produktqualitlit und gleichzeitiger Beachtung von Kostenaspekten sind im Wett
lauf urn den Kunden entscheidend. Eine geeignete Produktionsstrategie, beispielsweise
mit einer rechnerintegrierten flexiblen Produktion, ermoglicht das schnelle Anpassen
des Unternehmens auf sich lindernde Wettbewerbsbedingungen [2].
Eine rechnerintegrierte Produktionsanlage ist ein hochst komplexes und stark vemetztes
Gebilde aus Material- und Informationsfliissen, das sich wandelnden Einfliissen vom
Markt, z.B. Produktionsumstellungen, ausgesetzt ist. Bausteine solcher Produktionsan
lagen sind Industrieroboter (lR), fahrerlose Transportfahrzeuge (FrS) und automatisierte
Lagereinrichtungen. Hinzu kommen hierarchische Rechnersysteme zur informations
technischen Planung, Steuerung und Erfassung des Materialflusses in der Produktion.
Die rechnerintegrierte Produktion hat in verschiedenen Branchen bereits ein hohes
Niveau erreicht. 1m Maschinenbau und in der Automobilindustrie zlihlen flexibel auto
matisierte Produktionseinrichtungen zum Stand der Technik [3].
Die Planung einer komplexen Produktionsanlage, bzw. die Umplanung bedingt durch
Marktlinderungen, gewinnt aufgrund hoher Investitionskosten zunehmend an Bedeu
tung. Durch die hohen Investitionskosten ist es nicht moglich, Experimente in der
Realitlit durchzufiihren, d.h. eine Anlage aufzubauen, zu testen, eventuell das Anlagen
konzept zu verwerfen und eine neue Anlage aufzubauen. Experimente miissen an
geeigneten Modellen und friihzeitig im Planungsstadium durchgefiihrt werden, urn
Planungsalternativen rechtzeitig bewerten zu konnen [4]. Durch Experimente an Model
len konnen Fehlentwicklungen vermieden und ausgewahlte Anlagenkonzepte optimiert
werden.
1.2 Ziel der Arbelt
Das Ziel der Arbeit ist, ein geeignetes Werkzeug flir die Planung komplexer Produk
tionsanlagen zu erste11en, mit dem das zeitIich kapazitive VerhaIten und die Leistung
von geplanten Anlagen wirklichkeitsgetreu beurteilt werden kann.
Ausgangspunkt der Arbeit ist eine Situationsanalyse der flexiblen Produktion und eine
systemtechnische Betrachtung komplexer Produktionseinrichtungen. Der Schwerpunkt
solI in diesem Zusammenhang auf der Betrachtung des Materialflusses und des ihn
steuernden Informationsflusses liegen.
N ach einer Abgrenzung der Planungsproblematik komplexer Produktionsanlagen sollen
geeignete Modellierungsparadigmen und Methoden flir die Planung auf Anlagenebene
untersucht werden. Aus der Bewertung der Modellierungsverfahren und der Methoden
solI ein Grobkonzept entworfen werden, das es erlaubt mathematische Methoden und
Simulationstechniken zur Anlagenplanung einzusetzten. Die Ziele und organisa
torischen Einsatzbedingungen der Simulationstechnik in der Anlagenplanung sind dafiir
zu kliiren.
Besonders der Einsatz von Simulationstechniken in einer passenden Softwareumgebung
solI diskutiert werden, urn ein effizientes Planungswerkzeug zu entwickeln. Dazu sollen
die Moglichkeiten der Datenverarbeitung, die sich aus dem Forschungsgebiet der
"ktinstlichen InteIligenz" enwickelt haben, auf ihre Eignung zur Modellierung von
Produktionszusammenhangen tiberprtift werden. Weiterhin ist der Stand konventioneller
und wissensbasierter Simulationssysteme zu bewerten.
Darauf aufbauend solI ein geignetes Feinkonzept wissensbasierter Simulation entworfen
und dessen Besonderheiten dargelegt werden. Das Feinkonzept zur Simulation kom-
2
plexer Produktionssysteme auf Anlagenebene ist mit entsprechender Software zu reali
sieren. Mit einer leistungsfahigen Programmiersprache und Mechanismen zur Darstel
lung sowie Verarbeitung anwendungsspezifischen Wissens aus dem Bereich der
Produktionstechnik ist ein benutzerfreundliches Werkzeug zur Simulation komplexer
Produktionssysteme zu entwickeln. Es ist ein hoher Benutzerkomfort anzustreben, der
es Fertigungsplanern erlaubt, Simulations untersuchungen von Planungsalternativen
durchzufiihren.
3
