Produktionsplanung und -steuerung einer flexiblen Fertigung: ein prozeßorientierter Ansatz
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Gabler
1998
|
| Schriftenreihe: | Betriebswirtschaftliche Forschung zur Unternehmensführung
33 |
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XXIII, 407 S. Ill. |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
A.Einführung 1
A.I Problemstellung und Ziele der Arbeit 2
A.n Gang der Untersuchung 4
B. Grundlagen der Produktionsplanung und Steuerung bei einer flexiblen Fertigung....5
B.I Basisfunktionen der Produktionsplanung und Steuerung im Rahmen des
CIM Konzeptes 5
B.I.l Produktionsplanung 12
B.I. 1.1 Produktionsprogrammplanung 13
B.I. 1.2 Materialbedarfsplanung 15
B.I.1.3 Zeit und Kapazitätsplanung 19
B.I.2 Produktionssteuerung 22
B.I.2.1 Auftragsfreigabe 23
B.I.2.2 Feinterminierung 24
B.I.2.4 Betriebsdatenerfassung 27
B.I.3 Zusammenfassung 29
B.n Grundlagen der flexiblen Fertigung 30
B.n.l Das Fertigungsinsel Konzept 33
B.II.2 Automatisierungsstufen der flexiblen Fertigung 36
B.n.2.1 Flexible Fertigungszellen 38
B.ü.2.2 Flexible Fertigungssysteme 39
B.n.2.3 Flexible Fertigungslinien 42
B.n.3 Teilsysteme eines flexiblen Fertigungssystems 43
B.ü.3.1 Das Bearbeitungssystem 43
B.ü.3.2 Das Materialflußsystem 47
B.n.3.3 Das Informationssystem 49
B.n.3 Zusammenfassung und Entwicklung von flexiblen Fertigungssystemen 55
K
B.HI Ziele und Determinanten der Produktionssteuerung einer flexiblen Fertigung 60
B.ni.l Zielsystem der Produktionssteuerung einer flexiblen Fertigung 63
B.m.1.1 Kurze Produktionsdurchlaufzeiten (manufacturing lead time) 65
B.m.1.2 Geringe Fertigungskosten 69
B.m.1.3 Einhaltung der Liefertermine 73
B.in.2 Determinanten der Produktionssteuerung einer flexiblen Fertigung 74
B.m.2.1 Technische Determinanten 74
B.ITJ.2.2 Organisatorische Determinanten 80
C. Prozeßorientierte Produktionsplanung und Steuerung einer flexiblen Fertigung .....84
C.I Unternehmensweite Produktionsplanung 89
C.I.l Operative Produktionsprogrammplanung 89
C.I.2 Auftragskoordination 90
C.I.2.1 Simulation des kurzfristigen Produktionsprogrammes 90
C.I.2.2 Einplanung der Kundenaufträge 92
C.I.2.3 Ãœberwachung des Produktionsfortschritts 93
C.n Dezentrale Produktionsplanung und Steuerung der Fertigungsbereiche und Segmente ..95
C.n.l JIT orientierte Produktionsplanung und Steuerung einer flexiblen Fertigung 101
C.n.1.1 Produktionsplanung auf der Ebene der Fertigungsbereiche 107
C.n.l.1.1 Fortschrittszahlen Konzept 108
C.n.l.1.2 Mehrstufige Losgrößenplanung 111
C.n. 1.2 Produktionssteuerung auf der Ebene der Fertigungssegmente am Beispiel komplexer
FF Systeme 114
C.H. 1.2.1 Auftragsserienbildung bei komplexen FF Systemen H7
C.n. 1.2.1.1 Statische Auftragsserienbildung 117
C.n.l.2.1.2 Dynamische Auftragsserienbildung 126
C.n.l.2.2 Systemrüstplanung bei komplexen FF Systemen 13°
C.H. 1.2.2.1 Gruppierung der Bearbeitungszentren 31
C.II. 1.2.2.2 Maschinen und Werkzeugmagazinbelegung 132
C.H.1.2.3 Produktionssteuerung von komplexen FF Systemen 143
C.n.l.2.3.1 Statische Produktionssteuerung 43
C.n. 1.2.3.2 Dynamische Produktionssteuerung 15°
X
C.H.2 MRPII orientierte Produktionsplanung und Steuerung einer flexiblen Fertigung.... 151
C.n.2.1 Produktionsplanung auf der Ebene der Fertigungsbereiche 153
C.n.2.1.1 Bereichsübergreifende Koordination der Produktionspläne 153
C.n.2.1.2 Simultane Materialbedarfs und Kapazitätsplanung mittels OPT 157
C.n.2.1.2.1 Ziele und Planungsphilosophie des OPT Systems 158
C.n.2.1.2.2 Struktur und Steuerungsparameter des OPT Systems 161
C.n.2.2 Produktionssteuerung auf der Ebene der Fertigungssegmente am Beispiel flexibler
Fertigungszellen 173
C.n.2.2.1 Verfügbarkeitsprüfung 176
C.n.2.2.2 Simultane Auftragsserienbildung und Systemrüstplanung 178
C.n.2.2.2.1 Unvollständige Serienbildung 181
C.n.2.2.2.2 Vollständige Serienbildung 187
C.n.2.2.3 Kurzfristige Prozeßsteuerung 201
C.n.3 Hybride Produktionsplanung und Steuerung einer flexiblen Fertigung 212
C.n.3.1 Produktionsplanung auf der Ebene der Fertigungsbereiche am Beispiel einfacher
FF Systeme 215
C.n.3.1.1 Leitteileplanung der Fertigungsinseln 218
C.n.3.1.2 Zeit und Kapazitätsplanung 226
C.n.3.2 Produktionssteuerung auf der Ebene der Fertigungssegmente 228
C.n.3.2.1 Produktionssteuerung der Fertigungsinseln 229
C.n.3.2.2 Produktionssteuerung der restlichen Segmente 236
C.in Zusammenfassung 240
D. Entwicklung eines Einlastungsverfahrens auf der Grundlage von
Akzeptanzalgorithmen 245
D.I Grundlegende Struktur der Akzeptanzalgorithmen 255
D.I.l Erzeugung einer Ausgangslösung 257
D.I.2 Nachbarschaftssuche 262
D.I.2.1 Minimierung der Zykluszeit 263
D.I.2.2 Termineinhaltung und Durchlaufzeitminimierung 266
D.I.3 Akzeptanzbedingungen 271
D.I.3.1 Simulated Annealing 272
D.I.3.2 Threshold Accepting 278
D.I.3.3 GreatDeluge 280
D.I.4 Stop Kriterien 281
XI
D.U. Ablauf einer prozeßorientierten Einlastungsplanung 284
D.n.l Einlastungsplanung auf der Ebene der Fertigungsbereiche 286
D.n.1.1 Bestimmung der bereichsinternen Transportlose 288
D.D. 1.2 Reihenfolgeplanung der Transportlose 294
D.n.1.2.1 Ermittlung der Ausgangslösung 294
D.D.l.2.2 Nachbarschaftssuche 297
D.n.2 Einlastungsplanung auf der Ebene der Fertigungssegmente 301
D.D.2.1 Bestimmung der Palettenauftragslose 303
D.ü.2.2 Allokation und Reihenfolgeplanung der Palettenlose 308
D.in Simulationsuntersuchung anhand ausgewählter Fertigungssituationen 311
D.rn. 1 Analyse der Akzeptanzalgorithmen anhand von Literaturbeispielen 312
D.m.l .1 Werkstattfertigung 313
D.m.1.1.1 Aufbau der Simulationsuntersuchung 315
D.m.l. 1.2 Ergebnisse der Simulation 319
D.m.l.2FF Systeme 326
D.m.l.2.1 Aufbau der Simulationsuntersuchung 328
D.m.1.2.2 Ergebnisse der Simulation 330
D.ni.2 Analyse der prozeßorientierten Einlastungsplanung anhand eines Praxisbeispiels.338
D.m.2.1 Darstellung des Produktionsprozesses 338
D.HI.2.2 Aufbau der Simulationsuntersuchung 341
D.IU.2.3 Ergebnisse der Simulationsuntersuchung 346
D.FV Zusammenfassung 350
E. Schlußbetrachtung und Ausblick . 353
Anhang ••.••..• ¦¦¦••••••¦•••*¦¦¦¦¦¦•••.•.¦¦...¦¦.•..»¦••.¦..•.•••..•............,. .*.,..*......*** .»357
Literaturverzeichnis 3^7
xn
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Produktionsplanung und Steuerung im Rahmen des CIM Konzeptes 6
Abbildung 2 Implementierungsstand und Entwicklungstrend von PPS Systemen 12
Abbildung 3 Operative Programmplanung 14
Abbildung 4 Stufen der Materialbedarfsplanung 15
Abbildung 5 Stufen der Zeit und Kapazitätsplanung 19
Abbildung 6 Regelkreis der Fertigungssteuerung 28
Abbildung? Segmentierung des Fertigungsprozesses 32
Abbildung 8 Organisationsstruktur einer flexiblen Fertigung 33
Abbildung 9 Automatisierungsstufen der flexiblen Fertigung 37
Abbildung 10 Bearbeitungszentrum 37
Abbildung 11 Flexible Fertigungszelle 39
Abbildung 12 Einfaches Flexibles Fertigungssystem 40
Abbildung 13 Komplexes Flexibles Fertigungssystem 41
Abbildung 14 Flexible Fertigungslinie 42
Abbildung 15 Komponenten des Bearbeitungssystems 43
Abbildung 16 Automatischer Werkzeugwechsel 46
Abbildung 17 Beispiele einer automatisierten Werkzeugbereitstellung 46
Abbildung 18 Komponenten des Materialflußsystems 48
Abbildung 19 Komponenten des Informationssystems 50
Abbildung 20 Hierarchisches Rechnerverbundsystem 53
Abbildung 21 Prognose der Diffusion on FF Systemen 59
Abbildung 22 Planungscbenen einer flexiblen Fertigung 65
Abbildung 23 Komponenten der Produktionsdurchlaufzeit 66
Abbildung 24 Reihenfolgeabhängige RUstkosten 70
Abbildung 25 Belegung eines Werkzeugmagazins 76
Abbildung 26 Struktur einer prozeßorientierten Produktionsplanung und Steuerung 86
Abbildung 27 Horizontale und vertikale Koordination der Porduktionsaktivitäten 87
Abbildung 28 Stufen der Auftragskoordination 90
Abbildung 29 Dezentrale Stücklistenauflösung 94
Abbildung 30 Beispiele seriell (a) und synthetisch (b) strukturierter Produktionsprozesse 97
xra
Abbildung 31 Beispiele verschiedener Materialflußstnikturen auf der Ebene der
Produktionssegmente
Abbildung 32 Elemente der Produktionsplanung und Steuerung einer flexiblen Fertigung.. 100
Abbildung 33 Varianten einer JlT orientierten Produktionsplanung und Steuerung 102
Abbildung 34 Regelkreise der Produktionssteuerung nach dem KANBAN Verfahren 103
Abbildung 35 Planungsablauf der bedarfssynchronen Produktion 107
Abbildung 36 Kontrollbereiche und punkte zur Koordination eines komplexen
FF Systems und einer Montagelinie 109
Abbildung 37 Kontrolle der Bestandssituation mit Hilfe des Fortschrittszahlen Konzeptes . 110
Abbildung 38 Steuerungsablauf mit Hilfe des Fortschrittszahlen Kotzeptes HO
Abbildung 39 Leitteile eines konvergierenden Produktionsprozesses 113
Abbildung 40 Beispiel eines komplexen FF Systems (Caterpillar, USA) 115
Abbildung 41 Planungsablauf bei komplexen FF Sy steinen H6
Abbildung 42 Verfahrensablauf der statischen Serienbildung nach Hwang 121
Abbildung 43 Verfahrensablauf der statischen Auftragsserienbildung mit Hilfe eines
hierarchischen Clusterverfahrens 1^4
Abbildung 44 Dendogramm / Einlastungsreihenfolge der Serien 5
Abbildung 45 Verfahrensablauf der dynamischen Serienbildung nach Stecke und Kim 129
Abbildung 46 Zusammenfassung der Arbeitsgänge zu einem Arbeitsganglos I35
Abbildung 47 Bildung von Werkzeugsätzen 136
Abbildung 48 Verfahrensablauf der Systemrüstplanung mit Hilfe der LPT Regel 140
Abbildung 49 Verfahrensablauf der Systemrüstplanung anhand von Differenzwerkzeugen.. 141
Abbildung 50 Ablauf der Produktions steuerung eines komplexen FF Systems 143
Abbildung 51 Bestimmung der Einlastungsreihenfolge mit Hilfe der
Profile Fitting Methode 145
Abbildung 52 Sequenzorientierte Prioritätsregeln i49
Abbildung 53 MRPII orientierte Produktionsplanung und Steuerung 151
Abbildung 54 Ablauf der Produktionsplanung auf der Fertigungsbereichsebene 153
Abbildung 55 Bereichsübergreifende Koordination der Produktionsprogramme über die
Lagerbestände 154
Abbildung 56 Statische und dynamische Koordination der Produktionspläne 155
1 sä
Abbildung 57 Das „Hockey Stick Phenomenon 13°
XIV
Abbildung 58 Regeln des OPT Systems 160
Abbildung 59 Flußdiagramm des OPT Planungsablaufes 162
Abbildung 60 Aufteilung des Produktionsprozesses in Engpaß und Nicht
Engpaßressourcen 165
Abbildung 61 Verfahrensschritte des OPT Moduls 167
Abbildung 62 Zusammenhang zwischen der Transportlosgröße und den
Steuerungsparametern „relative Produktionsrate , „maximale Losgröße
und „Materialflußfaktor 169
Abbildung 63 Umrüstung einer Engpaßmaschine von A auf D 170
Abbildung 64 Beispiel einer FF Zelle 174
Abbildung 65 Einlastungsplanung einer FF Zelle 176
Abbildung 66 Reservierung der Fertigungsaufträge 178
Abbildung 67 Paarweiser Austausch zur Verbesserung der Serienstruktur 182
Abbildung 68 Simultane Auftragsserienbildung und Systemrüstplanung mit Hilfe der
LPT Regel 183
Abbildung 69 Einlastungsplanung einer FF Zelle bei dynamischer Werkzeugbelegung 186
Abbildung 70 Sequentielle Einlastungsplanung nach Whitney und Gaul 189
Abbildung 71 Iterative Einlastungsplanung nach Bastos 196
Abbildung 72 Rückwärtsterminierung des einzuplanenden Auftragsbestandes 197
Abbildung 73 Kurzfristige Prozeßsteuerung einer FF Zelle 201
Abbildung 74 Bildung von Arbeitsganglosen 203
Abbildung 75 Terminorientierte Prioritätsregeln 205
Abbildung 76 Werkzeugbedarfsrechnung 206
Abbildung 77 Werkzeugmagazinbelegung mit Hilfe der KTNS Regel 208
Abbildung 78 Aufbau eines Tandem Systems 212
Abbildung 79 Struktur eines hybriden PPS Systems bei einer flexibler Fertigung 214
Abbildung 80 Stufen der Produktionsplanung in einem hybriden PPS System 216
Abbildung 81 Beispiel eines einfachen FF Systems mit Werkzeughintergrundspeicher 217
Abbildung 82 Stufen der Leitteileplanung 218
Abbildung 83 Einlastungsplanung bei einem einfachen FF System 230
Abbildung 84 Aufbau des CONWIP Systems 233
Abbildung 85 Aufbau eines zyklisches Pull Systems 234
XV
Abbildung 86 Push Strategie 235
Abbildung 87 Produktionssteuerung der restlichen Segmente 237
Abbildung 88 Reihenfolgeplanung der Werkstätten 240
Abbildung 89 Grundfunktionen eines prozeßorientierten PPS Systems 241
Abbildung 90 Kategorien von Heuristiken 246
Abbildung 91 Verfahrensablauf der genetischen Algorithmen 248
Abbildung 92 Einfache Kreuzung (1 point crossover) zweier Lösungen 249
Abbildung 93 Verfahrensablauf des Tabu Search 250
Abbildung 94 Energieniveauverlauf eines Stoffes bei einer graduellen Abkühlung 255
Abbildung 95 Verfahrensablauf der Akzeptanzalgorithmen 257
Abbildung 96 Verfahrensablauf des Gifflermiompson Algorithmus 258
Abbildung 97 Genereller Verfahrensablauf des Shifting Bottleneck Verfahrens 260
Abbildung 98 Kritischer Weg in einem (semi aktiven) Ablaufplan 263
Abbildung 99 Zweistufige Nachbarschaftssuche auf der Grundlage von aktiven Ketten 265
Abbildung 100 Relation verschiedener Ablaufpläne 268
Abbildung 101 Zweistufige Nachbarschaftssuche mit Prioritätsregelverfahren 270
Abbildung 102 Paarweiser Austausch alternativ einplanbarer Arbeitsgänge 270
Abbildung 103 Verfahrensablauf eines Simulated Annealing Algorithmus 273
Abbildung 104 Verfahrensablauf eines Threshold Accepting Algorithmus 278
Abbildung 105 Zusammenhang zwischen Threshold Accepting und Simulated Annealing... 279
Abbildung 106 Verfahrensablauf eines Great Deluge Algorithmus 280
Abbildung 107 Stufen einer prozeßorientierten Einlastungsplanung 285
Abbildung 108 Simultane Losgrößenbestimmung und Reihenfolgeplanung 288
Abbildung 109 Filterfunktion der Transportlosbildung 292
Abbildung 110 Zeitiiche Effekt der Transportlosbildung 293
Abbildung 111 Austausch alternativ einplanbarer Transportlose 2
Abbildung 112 Vorgezogene Einplanung eines Transportloses 2
Abbildung 113 Verlagerung alternativ einplanbarer Transportlose 300
Abbildung 114 Simultane Allokation und Reihenfolgeplanung der Arbeitsgänge in einer
Fertigungsinsel 303
Abbildung 115 Festiegung der einzuplanenden Palettenauftragsgrößen 305
Abbildung 116 Beispiel einer Spannfolge 307
XVI
Abbildung 117 Vertauschungsmechanismen bei einer statischen
Werkzeugmagazinbelegung 310
Abbildung 118 Zielfunktionswertverläufe des Simulated Annealing und Threshold Accepting
bei der Minimierung der Zyklus und Durchlaufzeit am Beispiel des
Problems FT_10 314
Abbildung 119 Tauschperioden im Verfahrensablauf des Simulated Annealing bei der
Minimierung der Zykluszeit am Beispiel des Problems ABZ_6 318
Abbildung 120 Rechenaufwand und Lösungsgüte der Akzeptanzbedingungen bei
verschiedenen Werkstattproblemen 322
Abbildung 121 Zielfunktionswertverlauf bei der Minimierung der mittleren Durchlauf zeit
in einem FF System 327
Abbildung 122 Verbesserungspotential der Akzeptanzalgorithmen (Problem I) bezüglich der
Minimierung der Durchlaufzeit in Abhängigkeit von der angewandten
Prioritätsregel 333
Abbildung 123 Verbesserungspotential der Akzeptanzalgorithmen (Problem II) bezüglich der
mittleren Durchlaufzeit in Abhängigkeit von der angewandten
Prioritätsregel 336
Abbildung 124 Layout der betrachteten Großteilefertigung 340
Abbildung 125 Mittlere Anzahl der Transportlose in Abhängigkeit von der
Mindestbearbeitungsdauer der Maschinen 343
Abbildung 126 Mittlere Transportlosgröße in Abhängigkeit von der
Mindestbearbeitungsdauer der Maschinen 344
Abbildung 127 Mittlere Bearbeitungszeit der Transportlose in Abhängigkeit von der
Mindestbearbeitungsdauer der Maschinen 345
Abbildung 128 Verbesserungspotential der Akzeptanzalgorithmen in Abhängigkeit von der
Mindestbearbeitungszeit 350
xvn
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Kennzahlen verschiedener FF Systemvarianten 57
Tabelle 2 Beispiel einer Werkzeug Auftragsmatrix 122
Tabelle 3 Serienstruktur der statischen Auftragsserienbildung mit Hilfe eines
Clusterverfahrens 125
Tabelle 4 Ermittlung der im FF System zirkulierenden Palettenaufträge (MPS) 136
Tabelle 5 Berechnung der Transportlosgröße an einer Engpaßmaschine 168
Tabelle 6 Abgleich der Transportlosgrößen und Nettobedarfe 169
Tabelle 7 Bestimmung der maximalen Palettenauftragslosgröße 304
Tabelle 8 Parametereinstellung für das Werkstattfertigungsproblem 317
Tabelle 9 Rechenzeiten und Lösungsgüte der kombinierten Nachbarschaftssuche 320
Tabelle 10 Mittlere Abweichung der Akzeptanzalgorithmen von der optimalen
Zykluszeit 321
Tabelle 11 Ergebnisse der unterschiedlichen Akzeptanzbedingungen bei
verschiedenen Werkstattfertigungsproblemen in Abhängigkeit von der
Parametereinstellung 323
Tabelle 12 Ergebnisse der unterschiedlichen Akzeptanzbedingungen bei
verschiedenen Werkstattfertigungsproblemen in Abhängigkeit von der
Prioritätsregel 323
Tabelle 13 Mittlere Abweichung der Akzeptanzalgorithmen gegenüber der
Ausgangslösung bei der Minimierung der Durchlaufzeit 324
Tabelle 14 Mittlere Abweichung der unterschiedlichen Akzeptanzbedingungen von
der Ausgangslösung in Abhängigkeit von der Parametereinstellung 325
Tabelle 15 Parametereinstellung der Einlastungsprobleme I und II 329
Tabelle 16 Leistungsdaten des FF Systems bei der Anwendung verschiedener
Prioritätsregeln 331
Tabelle 17 Ergebnisse der Akzeptanzalgorithmen bei dem Einlastungsproblem I 332
Tabelle 18 Ergebnisse der Akzeptanzalgorithmen bei dem Einlastungsproblem I in
Abhängigkeit von der Parametereinstellung 333
Tabelle 19 Leistungsdaten des FF Systems bei der Anwendung verschiedener
Prioritätsregeln 334
Tabelle 20 Ergebnisse der Akzeptanzalgorithmen bei dem Einlastungsproblem II 335
Tabelle 21 Ergebnisse der Akzeptanzalgorithmen bei dem Einlastungsproblem II in
Abhängigkeit von der Parametereinstellung 337
Tabelle 22 Parametereinstellung der Akzeptanzalgorithmen 346
Tabelle 23 Kenngrößen der Einlastungsplanung bei verschiedenen
Mindestbearbeitungszeiten 347
Tabelle 24 Ergebnisse der Akzeptanzalgorithmen 348
Tabelle 25 Ergebnisse der Akzeptanzalgorithmen in Abhängigkeit von der
Parametereinstellung 349
Tabelle 26 Ergebnisverbesserungen der Akzeptanzalgorithmen 349
XIX
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