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Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Zielsetzung.............................................................................. 1

1.1 Simulationsunterstützte Materialflussplanung ............................................ 1

1.2 Zielsetzung und Einordnung der Arbeit ...................................................... 4

1.3 Vorgehensweise ........................................................................................ 7

2 Materialflussplanung in der variantenreichen Großserienfertigung............ 9

2.1 Kennzeichen der variantenreichen Großserienfertigung............................ 9

2.1.1 Gliederung der Produktionsorganisation ......................................... 9

2.1.2 Spannungsfeld in der variantenreichen Großserienfertigung ........ 10

2.1.3 Materialflussplanung in der Halbleiterindustrie .............................. 11

2.2 Vorgehensweise bei der Materialflussplanung......................................... 13

2.2.1 Grundsätze der Materialflussplanung ............................................ 13

2.2.2 Vorgehensweise bei der systematischen Planungsdurchführung . 14

2.2.3 Planungsanstoß und Zieldefinition ................................................ 15

2.2.4 Zieldefinition auf der Basis der Vorstudie ...................................... 16

2.2.5 Konzeptionelle Planungsaufgaben in der Grobplanung................. 16

2.2.6 Operative Ausgestaltung in der Feinplanung................................. 17

2.2.7 Realisierung des Planungsvorhabens ........................................... 18

2.2.8 Iterativer Planungsablauf............................................................... 18

2.2.9 Parallele und überlappte Planung ................................................. 19

2.3 Iterativer Entscheidungsprozess .............................................................. 21

2.3.1 Entscheidungsverfahren in der Materialflussplanung .................... 22

2.3.2 Kennzahlen für die Entscheidungsgrundlage ................................ 23

2.3.3 Analysemethoden zur Bewertung der logistischen Qualität........... 26

2.4 Modellbasierter Problemlösungsprozess ................................................. 27

2.5 Gängige modellbasierte Analysemethoden.............................................. 30

2.5.1 Statische Modelle und Berechnungsmethoden ............................. 31

2.5.2 Dynamische Modelle und Berechnungsmethoden ........................ 37

2.5.3 Übersicht der Analyse- und Berechnungsmethoden ..................... 45

II Inhaltsverzeichnis

3 Effektive Simulationsanwendung als Herausforderung ............................. 49

3.1 Anforderungen an die Materialflussplanung............................................. 49

3.2 Aufwand-Nutzen-Relation bei der Simulationsanwendung ...................... 51

3.3 Bisherige Ansätze zur Wahl des Modell-Detaillierungsgrades ................. 54

4 Konzept zur anforderungsgerechten Modellgestaltung ............................. 57

4.1 Grundidee und Rahmenkonzept .............................................................. 57

4.2 Variierender Informationsgehalt des Rechnermodells.............................. 58

4.3 Definition der Anforderungen im Anwendungsfall .................................... 58

4.4 Strukturierte Modellgestaltung ................................................................. 59

5 Teilaspekte einer hierarchischen Materialflussabbildung .......................... 61

5.1 Grundlagen für das realitätsauthentische Modell ..................................... 61

5.2 Systemtheoretischer Ansatz bei der Modellgestaltung............................. 63

5.2.1 Systemdefinition ............................................................................ 63

5.2.2 Abstrakte Systembeschreibung durch die Blackbox-Betrachtung . 65

5.2.3 Zustandsbeschreibung .................................................................. 67

5.3 Übergangsfunktionen einer Blackbox....................................................... 69

5.3.1 Zustandsunabhängige determinierte Übergangsfunktion .............. 70

5.3.2 Zustandsunabhängige stochastische Übergangsfunktion ............. 71

5.3.3 Zustandsabhängige deterministische Übergangsfunktion ............. 72

5.3.4 Zustandsabhängige stochastische Übergangsfunktion ................. 74

5.4 Abbildung der wesentlichen Modellelemente ........................................... 76

5.5 Hierarchische Strukturierung des Modells................................................ 79

5.5.1 Struktureigenschaften.................................................................... 79

5.5.2 Abbildung in mehreren Detaillierungsstufen .................................. 81

5.6 Kennzahlen als Entscheidungsgrundlagen für die Planung ..................... 83

5.6.1 Aufbau von Kennzahlensystemen ................................................. 84

5.6.2 Kennzahlensystematik ausgewählter Kennzahlen der Logistik ..... 85

5.7 Experimentieren am Simulationsmodell ................................................... 88

5.7.1 Gezielte Simulationsberechnung................................................... 88

5.7.2 Versuchspläne zur strukturierten Experimentdurchführung........... 89

Inhaltsverzeichnis III

5.7.3 Experimentierfähigkeit des Rechnermodells ................................. 91

6 Kriterien zur Bewertung der Modellanforderungen..................................... 93

6.1 Einflüsse auf den Modell-Detaillierungsgrad ............................................ 93

6.2 Zielsetzung der Planungsaufgabe............................................................ 94

6.2.1 Variierende Aufgabenstellungen entlang der Planungsphasen ..... 95

6.2.2 Gliederung der Aufgabenstellungen .............................................. 96

6.2.3 Kriterienkatalog zur Charakterisierung der Aufgabenstellung........ 99

6.3 Eigenschaften des Materialflusssystems ............................................... 103

6.3.1 Einfluss des realen Materialflusssystems auf das Modell............ 103

6.3.2 Zusammenhang zwischen Modell und Realsystem..................... 103

6.3.3 Komplexitätsreduzierung durch Abstraktion ................................ 105

6.3.4 Charakterisierung der Systemeigenschaften............................... 108

6.4 Kriterien zur Bewertung der Datenqualität ............................................. 113

6.4.1 Bedeutung der Grunddaten für das Simulationsergebnis ............ 113

6.4.2 Datenmaterial als Grundlage für das Modell ............................... 113

6.4.3 Kriterienkatalog zur Charakterisierung der Grunddaten .............. 115

7 Methode zur angepassten Modellgestaltung ............................................. 117

7.1 Festlegung der erforderlichen Modelleigenschaften .............................. 117

7.1.1 Bedeutung und Eigenschaften des Modells ................................ 117

7.1.2 Zu berücksichtigende Modelleinflüsse......................................... 119

7.1.3 Vorgehensweise bei der Gestaltung des Rechnermodells .......... 120

7.2 Bestimmung der erforderlichen Modelleigenschaften ............................ 122

7.2.1 Blackbox mit konstanter Durchlaufzeit......................................... 123

7.2.2 Blackbox mit stochastischer Durchlaufzeit .................................. 124

7.2.3 Blackbox mit zustandsabhängiger Durchlaufzeit ......................... 125

7.2.4 Blackbox mit zustandsabhängiger - stochastischer Durchlaufzeit126

7.2.5 Aufgliederung der Blackbox in Untersysteme.............................. 127

8 Validierung der Methodik am Anwendungsbeispiel.................................. 129

8.1 Umsetzung und Einsatz der vorgestellten Methodik .............................. 129

IV Inhaltsverzeichnis

8.1.1 Projektvorstellung und Rahmenbedingungen.............................. 129

8.1.2 Produktionsschritte in der Halbleiterindustrie .............................. 130

8.1.3 Beispielunternehmen und charakteristische Vorgänge................ 131

8.1.4 Planungsprojekt und ausgewählte Fragestellungen .................... 133

8.1.5 Eigenschaften und Strukturvarianten des Assembly-Bereiches .. 134

8.1.6 Vorliegende Planungsgrundlagen ............................................... 135

8.1.7 Drei Strukturvarianten für den Assembly-Bereich........................ 135

8.1.8 Zielsetzung der Simulationsuntersuchung................................... 137

8.1.9 Anforderungen an das Modell ..................................................... 137

8.1.10 Berücksichtigte Untersysteme und Systemelemente................... 139

8.1.11 Relevante Systemeigenschaften ................................................. 140

8.1.12 Simulationsergebnisse und Planungserfolg................................. 141

8.1.13 Spezifikation des interzellularen Fördersystems.......................... 142

8.1.14 Materialflusseigenschaften des Assembly-Bereichs.................... 144

8.1.15 Anforderungen an das Rechnermodell ........................................ 145

8.1.16 Entwicklung des Rechnermodells................................................ 146

8.1.17 Simulationsberechnung und Experimentdurchführung................ 147

8.1.18 Erkenntnisse aus der Simulationsberechnung ............................ 148

8.2 Umgesetzte Modellsicht im Simulationsprogramm ................................ 150

8.3 Validierung der Übergangsfunktionen.................................................... 153

8.3.1 Ausgewählte Übergangsfunktionen............................................. 153

8.3.2 Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse ........................... 154

8.4 Fazit aus dem Anwendungsbeispiel....................................................... 156

8.4.1 Verifizierung des Auswahlverfahrens .......................................... 156

8.4.2 Nutzungserfolge durch die systematische Modellgestaltung ....... 158

9 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................... 161

10 Literaturverzeichnis ..................................................................................... 163

Abbildungsverzeichnis V

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1: Bedürfnisbaum für die Zufriedenheit der Kunden [Suzaki-94].........................................1

Abbildung 1-2: Einsatzgebiete der Materialflusssimulation [VDI-3633] ...................................................3

Abbildung 1-3: Aufwand-Nutzen-Relation bei der Simulationsanwendung .............................................4

Abbildung 1-4: Gliederung der vorliegenden Arbeit.................................................................................7

Abbildung 2-1: Gliederung der Produktionsorganisation [Kettner-84, Jünemann-89, Eversheim-89]...10

Abbildung 2-2: Variierendes Produktionsprogramm über die Lebensphasen des Materialflusssystems

.......................................................................................................................................................12

Abbildung 2-3: Einfluss von Marktschwankungen auf den Produktlebenszyklus [vgl. Eversheim-96]..13

Abbildung 2-4: Gliederung der Planungsphasen [vgl. Kettner-84, Daenzer-94, Gudehus-99]..............15

Abbildung 2-5: Sequentielle und parallele Lösung von Teilaufgaben in der Materialflussplanung .......20

Abbildung 2-6: Vorgehen beim Entscheidungsprozess .........................................................................21

Abbildung 2-7: Technische, logistische und monetäre Kriterien als Entscheidungsgrundlage .............23

Abbildung 2-8: Datenquellen zur Entscheidungsunterstützung.............................................................27

Abbildung 2-9: Systems Engineering Philosophie und Komponenten [Daenzer-94] ............................28

Abbildung 2-10: Schritte des modellbasierten Problemlösungsprozesses [vgl. Nyhuis-99]..................30

Abbildung 2-11: Vergleich statischer Mittelwert- und Extremwert-Betrachtung [vgl. Askin-93].............32

Abbildung 2-12: Zeitbezogenes Durchlaufdiagramm und abgeleitete Kennlinien.................................34

Abbildung 2-13: Ideale bestandsbezogene Leistungs- und Durchlaufzeitdiagramm ............................35

Abbildung 2-14: Logistische Kennlinien für Produktion – Transport – Lager [vgl. Nyhuis-99]...............37

Abbildung 2-15: Wartevorgang im einfachen Warteschlangensystem MM1-Modell [Arnold-95] ..........39

Abbildung 2-16: Charakteristische Kennwerte im Wartesystem............................................................40

Abbildung 2-17: Beispiel eines offenen Warteschlangennetzes............................................................41

Abbildung 2-18: Zustandsänderung bei der ereignisorientierten Simulation .........................................43

Abbildung 2-19: Darstellung ausgewählter Simulationsergebnisse.......................................................44

Abbildung 2-20: Abbildungsaufwand und -genauigkeit der Modellierungsverfahren [Rall-98, Haller-99]

.......................................................................................................................................................46

Abbildung 3-1: Herausforderungen bei der Materialflussplanung .........................................................50

Abbildung 3-2: Aufgabenschwerpunkte bei der Simulationsanwendung [Wang-95, Kuhn-93, Rauh-98]

.......................................................................................................................................................52

Abbildung 3-3: Einfluss der Modellgenauigkeit und -funktionalität auf den Simulationsaufwand..........53

Abbildung 4-1: Gesamtkonzept zur anforderungsgerechten Modellgestaltung.....................................57

Abbildung 4-2: Vorgehensweise zur strukturierten Modellgestaltung....................................................59

Abbildung 5-1: Modellwelt der virtuellen Realität...................................................................................63

Abbildung 5-2: Darstellung des Materialflusssystems ...........................................................................64

VI Abbildungsverzeichnis

Abbildung 5-3: Elementare Blackbox-Betrachtung vgl. [Wang-95, Daenzer-94]...................................65

Abbildung 5-4: Beispielhafte Blackboxmodelle mit variierenden Übergangsfunktionen........................ 66

Abbildung 5-5: Zustandsreihenfolge beim Verfahren eines Verschiebewagens ...................................68

Abbildung 5-6: Zustandsänderung einer Blackbox ................................................................................69

Abbildung 5-7: Übergangsfunktionen einer Blackbox............................................................................70

Abbildung 5-8: Determinierte durchschnittliche Durchlaufzeit ...............................................................71

Abbildung 5-9: Normalverteilung der Durchlaufzeit ...............................................................................71

Abbildung 5-10: Ideale Betriebskennlinie...............................................................................................73

Abbildung 5-11: Ermittlung der aktuellen Durchlaufzeit aus der bestandsbezogenen Betriebskennlinie

.......................................................................................................................................................74

Abbildung 5-12: Bestandbezogene Betriebskennlinie mit Zufallseinfluss .............................................75

Abbildung 5-13: Wesentliche Beschreibungsparameter der Produktionseinrichtung............................77

Abbildung 5-14: Wesentliche Beschreibungsparameter des Fördersystems........................................77

Abbildung 5-15: Wesentliche Beschreibungsparameter des Lagersystems .........................................78

Abbildung 5-16: Wesentliche Aufgaben und das Planungshorizont der Steuerungselemente [Spur-94]

.......................................................................................................................................................79

Abbildung 5-17: Hierarchischer Modellaufbau.......................................................................................80

Abbildung 5-18: Teilmodelle mit variierendem Detaillierungsgrad ........................................................82

Abbildung 5-19: Trennung und Kopplung von Informations- und Materialfluss nach [Jünemann-98]...83

Abbildung 5-20: Formaler Aufbau von Kennzahlen [Syska-90].............................................................84

Abbildung 5-21: Kennzahlensystem der Bewertungsgröße „Durchlaufzeit“ [Wang-95, Jacobi-94].......86

Abbildung 5-22: Kennzahlensystem der Bewertungsgröße „Durchsatz“ [Wang-95] .............................86

Abbildung 5-23: Kennzahlensystem der Bewertungsgröße „Nutzungsgrad“ [Wang-95, Jacobi-94] .....87

Abbildung 5-24: Zielsetzung des Simulationsexperimentes ..................................................................89

Abbildung 5-25: Mehrstufige Experimentdurchführung .........................................................................90

Abbildung 6-1: Einflüsse auf den Modell-Detaillierungsgrad .................................................................94

Abbildung 6-2: Ausgewählte Planungsaufgaben [Aggteleky-87, Günthner-00a] ..................................95

Abbildung 6-3: Abgrenzung von Problem-, Eingriffs-, Lösungs- und Wirkungsbereich [Daenzer-94]...98

Abbildung 6-4: Abstraktion realer Systeme nach [Kosturiak-95, Mertins-93] ......................................104

Abbildung 6-5: Gründe der Systemkomplexität ...................................................................................105

Abbildung 6-6: Inter- und intrazellulare Abhängigkeiten ......................................................................108

Abbildung 7-1: Anforderungsgerechte Modellgestaltung.....................................................................119

Abbildung 7-2: Methodische Vorgehensweise zur Gestaltung des Rechnermodells ..........................121

Abbildung 8-1: Fertigungsablauf der Halbleiterproduktion [Zant-90, Haller-99] ..................................131

Abbildung 8-2: Prozessschritte im Assembly-Bereich des Backends [vgl. Hacke-87, Haller-99]........134

Abbildungsverzeichnis VII

Abbildung 8-3: Schematische Layout-Darstellung des Assembly-Bereichs nach dem Werkstattprinzip

.....................................................................................................................................................135

Abbildung 8-4: schematische Layout-Darstellung des Assembly-Bereichs nach dem Linienprinzip ..136

Abbildung 8-5: schematische Layout-Darstellung des Assembly-Bereichs nach dem Zellenprinzip ..137

Abbildung 8-6: Hierarchisches Modell des Backends nach dem Zellenprinzip ...................................141

Abbildung 8-7: Bestandsbezogene Betriebskennlinie des Assembly-Bereichs ..................................142

Abbildung 8-8: Schematische Darstellung des Materialflusses und der Behälterkreisläufe................145

Abbildung 8-9: Schematische Darstellung der Modellstruktur und der Übergangsfunktion ................147

Abbildung 8-10: Behälteranzahl in Abhängigkeit der erbrachten Gesamtleistung ..............................149

Abbildung 8-11: Bestandbezogene Betriebskennlinien im Vergleich der Steuerungsstrategien.........150

Abbildung 8-12: Behälteranzahl in Abhängigkeit der erbrachten Gesamtleistung ..............................150

Abbildung 8-13: Auswahlfenster zur Parametrierung einer Blackbox .................................................152

Abbildung 8-14: Vergleich der Ergebniswerte bei unterschiedlichen Modellgenauigkeiten ................154

Abbildung 8-15: Zentrales Unternehmensmodell für dezentrale verteilte Planungsaufgaben ............157

Abbildung 8-16: Zeitaufwand zur Simulationsberechnung bei unterschiedlichen Detaillierungsgraden

.....................................................................................................................................................159

Abbildung 8-17: Verschiebung der Aufgabenschwerpunkte bei der Simulationsanwendung .............160

Tabellenverzeichnis IX

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3-1: Spannungsfeld bei der Wahl des Modell-Detaillierungsgrades .........................................51

Tabelle 3-2: Unterscheidung der Planungsgrundlagen beim Simulationseinsatz [VDI-3633, Kuhn-93]54

Tabelle 6-1: Kriterien und Ausprägungen des Planungsvorhabens ....................................................100

Tabelle 6-2: Kriterien und Ausprägungen der Bewertungsgrundlagen................................................101

Tabelle 6-3: Kriterien und Ausprägungen der Entscheidungsspielraums ...........................................102

Tabelle 6-4: Kriterien und Ausprägungen der interzellularen Abhängigkeit ........................................109

Tabelle 6-5: Kriterien und Ausprägungen der intrazellularen Abhängigkeiten ....................................110

Tabelle 6-6: Kriterien und Ausprägungen des dynamischen Systemverhaltens .................................111

Tabelle 6-7: Kriterien und Ausprägungen des Datenmaterials ............................................................116

Tabelle 7-1: Anwendungsfelder der zustandsunabhängigen deterministischen Übergangsfunktion..124

Tabelle 7-2: Anwendungsfelder der zustandsunabhängigen stochastischen Übergangsfunktion ......125

Tabelle 7-3: Anwendungsfelder der zustandsabhängigen deterministischen Übergangsfunktion......126

Tabelle 7-4: Anwendungsfelder der zustandsabhängigen stochastischen Übergangsfunktion ..........127

Tabelle 7-5: Anwendungsfelder von stochastisch schwankenden Mittelwerten..................................128

Tabelle 8-1: Zusammenfassung der Anforderungen an das Rechnermodell ......................................138

Formelverzeichnis XI

Formelverzeichnis

mA Mittlere Auslastung [%]

( )TAB Abgang (Kumulierter Arbeitsinhalt der zugehenden Arbeitsvorgänge über dieZeit) [Std]

mB Mittlerer Bestand in Stunden [Std]

BA Aktueller Bestand (in Anzahl Aufträge) [-]

mBA Mittlerer Bestand in Stückzahl

minBA Mindest Bestand (in Anzahl Aufträge) [-]

BKT Betriebskalendertag

λ Ankunftsrate nach der Warteschlangentheorie [1/s]

mL Mittlere Leistung [Std/BKT]

maxL Maximal mögliche Leistung [Std/BKT]

mLA Mittlere Anzahl fertiggestellter Aufträge [1/BKT] nach dem Gesetz von Little

maxLA Maximal Anzahl fertiggestellter Aufträge [1/BKT]

SN Mittlerer Auftragsbestand im Wartesystem nach der Warteschlangentheorie

µ Bedienrate nach der Warteschlangentheorie [1/s]

n Anzahl der zurückgemeldeten Arbeitsvorgänge [-]

P Länge des Bezugszeitraumes [BKT]

σ Standardabweichung der Normalverteilung

iZAU Auftragszeit (in Vorgabestunden) je Arbeitsvorgang [Std]

ZDL Durchlaufzeit (Arbeitsvorgang) [BKT]

ZDL Aktuelle Durchlaufzeit (Arbeitsvorgang) [BKT]

maxZDL Maximale Durchlaufzeit [BKT]

minZDL Minimale Durchlaufzeit [BKT]

virZDL Mittlere virtuelle Durchlaufzeit [BKT] nach dem Gesetz von Little

( )TZU Zugang (Kumulierter Arbeitsinhalt der zugehenden Arbeitsvorgänge über dieZeit) [Std]

0T Beginn des Bezugszeitraumes

1T Ende des Bezugszeitraumes

TBE Termin Bearbeitungsende eines Arbeitsvorganges [BKT]

TBEV Termin Bearbeitungsende des Vorgänger-Arbeitsvorganges [BKT]

minZAU Minimale Auftragszeit [Std]

1 Einleitung und Zielsetzung

Der langfristige Erfolg eines produzierenden Unternehmens hängt in Zeiten der

zunehmenden Globalisierung des Wettbewerbs verstärkt von der Fähigkeit ab, sich

an die wandelnden Marktanforderungen kontinuierlich anzupassen. Für diese

notwendigen Anpassungen müssen sie auch ihr Materialflusssystem genauestens

auf die veränderten Anforderungen abstimmen. Dazu benötigen sie Hilfsmittel, die

eine rasche und zuverlässige Planung gewährleisten. Die Simulationstechnik, eine

modellbasierte Analysemethode, bietet einen breiten Einsatzbereich zur Unterstüt-

zung der Materialflussplanung [Günthner-98].

1.1 Simulationsunterstützte Materialflussplanung

In der heutigen Marktsituation kommt dem Internet als elektronische Infrastruktur

eine hohe Bedeutung zu. Dadurch, dass umfangreiche Informationen jedem zugäng-

lich sind, werden Produkte mehr und mehr vergleichbar. Der Kunde hat somit die

Möglichkeit, sich seine individuellen Bedürfnisse im transparenten weltumspannen-

den Markt zu erfüllen [Aldrich-99]. Diese Transparenz schafft eine verstärkte Abhän-

gigkeit auf Seiten des Unternehmens. Die Unternehmensentwicklung muss sich

daher zunehmend an den Kundenbedürfnissen ausrichten. Diese setzen sich im

Wesentlichen aus technischer Qualität, Kosten und Logistikleistung zusammen

(Abbildung 1-1).

Kundenbedürfnisse

Qualität (Funktionalität, Zuverlässigkeit, Service usw.)

Kosten (Anschaffungs- und Betriebskosten, Auslastung usw.)

Logistikleistung (Termintreue, Durchlaufzeit, Lieferflexibilität usw.)

Abbildung 1-1: Bedürfnisbaum für die Zufriedenheit der Kunden [Suzaki-94]

Eine hohe Funktionalität und hervorragende technische Qualität der Produkte wird

inzwischen als selbstverständlich vorausgesetzt. Damit wird die Logistikleistung ein

entscheidendes Erfolgskriterium. Aber auch das Unternehmen strebt nach einer

optimierten Logistikleistung, um hohe Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Die Zielgrößen

hierzu bilden die sogenannten vier logistischen Teilziele: von der Unternehmensseite

2 1.Einleitung und Zielsetzung

die „Maximierung der Auslastung“ und die „Minimierung der Bestände“, von der

Marktseite die „Maximierung der Termintreue“ und die „Minimierung der Durchlauf-

zeiten“ [Wiendahl-97]. Das Materialflusssystem bestimmt innerhalb eines produzie-

renden Unternehmens die Logistikleistung und wird daher am Erreichen der logisti-

schen Teilziele gemessen.

Absatzschwankungen auf dem Markt machen jedoch ein Materialflusssystem

notwendig, das auf die jeweiligen Anforderungen in ausreichendem Maß flexibel

reagieren kann. Der Flexibilitätsrahmen wird allerdings durch technische und organi-

satorische Systemeigenschaften begrenzt und erlaubt nur einen eingeschränkten

Handlungsspielraum [Brandimarte-99]. Bei der Neu- und Umplanung von Material-

flusssystemen ist daher eine flexible Reaktion auf die Marktschwankungen von

höchster Wichtigkeit [Günthner-99].

Verändern sich die Marktanforderungen jedoch soweit, dass diese außerhalb des

bestehenden Flexibilitätsrahmens liegen, so kann die Logistikleistung nur noch durch

strukturelle, organisatorische und technische Anpassungsmaßnahmen verbessert

werden. Innovationssprünge und permanente Optimierungsschritte entscheiden

dabei gleichermaßen über den Erfolg [Imai-93].

Um den angestrebten Wettbewerbsvorteil jedoch auch ausschöpfen zu können, ist

ein rasches Reaktionsvermögen bei der Umsetzung der Lösungsansätze gefordert.

Ein effektives Projektmanagement mit durchgehender Rechnerunterstützung ermög-

licht hierbei sowohl kurze Planungszeiten, somit auch kurze Reaktionszeiten, als

auch eine hohe Planungsqualität [Günthner-98]. Die Fähigkeit, sich an ein turbulen-

tes Umfeld zu adaptieren, verdeutlicht zusammenfassend folgende Formel:

„Wandlungsfähigkeit = Flexibilität + Reaktionsvermögen“ [Reinhart-00].

Insbesondere die Halbleiterindustrie ist stark von konkurrierendem Wettbewerb

betroffen und bedarf daher einer ausgeprägten Wandlungsfähigkeit. Aus den Merk-

malen der Halbleiterindustrie, der großen Variantenvielfalt der Produkte und dem

großen Produktionsvolumen resultieren zusätzlich hohe Ansprüche an die logistische

Qualität des Materialflusssystems und demnach auch an die Planung solcher

Systeme [Mönch-99].

Trotz oder wegen der hohen Komplexität der hier eingesetzten Anlagen besteht die

Notwendigkeit, eine optimierte Systemlösung zu entwickeln. Die Systemkomponen-

1.1.Simulationsunterstützte Materialflussplanung 3

ten müssen dabei aufeinander abgestimmt und optimal eingesetzt werden. Bei der

Planung treten jedoch häufig Veränderungen der Vorgaben und der Rahmenbedin-

gungen auf, wodurch die Suche nach der optimalen Lösung zusätzlich erschwert

wird. Auf die hohe Variabilität der Planungsdaten muss daher schnell und effektiv

reagiert werden. Die Simulationstechnik stellt eine Grundlage für empirische Syste-

moptimierung im gesamten Planungsprozess dar und ermöglicht hierdurch die

Bewältigung komplexer Aufgabenstellungen.

Die Simulationstechnik stellt eine anerkannte modellbasierte Analysemethode dar,

da sie einen zuverlässigen Einblick in die dynamischen Wirkungszusammenhänge

von Materialflusssystemen bietet. Deshalb lassen sich spezifische Erkenntnisse aus

der virtuellen Rechnerwelt für die Realität gewinnen, d.h. Risiken werden kalkulier-

bar. Die diskrete ereignisorientierte Materialflusssimulation besitzt ein breites Ein-

satzgebiet in der Planung, Realisierung und im Betrieb (Abbildung 1-2).

Diskreteereignisorientierte

Materialfluss-simulation

Abbildung 1-2: Einsatzgebiete der Materialflusssimulation [VDI-3633]

Studien zeigen jedoch, dass weiterhin Defizite für eine erfolgreiche Anwendung der

Simulationstechnik in der Praxis bestehen [Reinhart-97]. Die Ursache hierfür liegt in

einer unausgewogenen Aufwand-Nutzen-Relation. Entweder übersteigt der Aufwand

den Nutzen oder die Erkenntnisse aus der Simulationsberechnung sind zu gering.

Grundsätzliches Problem ist vor allem das Fehlen von Fachwissen, das oftmals zu

einer falschen Anwendungszielsetzung, zu einer ungeeigneten Abbildungsgenauig-


keit, zu uneffektivem Projektmanagement und zu unlogischen Ergebnissen führt

[Kosturiak-95].

Grundlage für die rechnerbasierte Berechnung stellt die Abbildung des tatsächlichen

oder geplanten Systems in einem speziellen Anwendungsprogramm dar. Die Realität

kann in unterschiedlichen Detaillierungsgraden abgebildet werden, wobei die Modelle

generell den gleichen Sachverhalt mit variierendem Informationsgehalt repräsentie-

ren. Eine effektive Simulationsanwendung erfordert ein dem Anwendungsfall ange-

passtes realitätsauthentisches Modell.

1.2 Zielsetzung und Einordnung der Arbeit

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine anforderungsgerechte Modellierung von

Materialflusssystemen zur planungsbegleitenden Simulation zu erreichen. Hierzu

wird eine Methodik entwickelt, die unter Beachtung einer ausgewogenen Aufwand-

Nutzen-Relation den geeigneten Modell-Detaillierungsgrad für den Anwendungsfall

bestimmt (Abbildung 1-3).

Realität

Rechnermodell

ErkenntnisseModellerstellung

Simulation

Modelloptimierung

Systemkonfiguration Nutzen

Aufwand

Nutzen !!

Aufwand !

Nutzen "

Aufwand ""

Nutzen "

Aufwand !

Zu geringer Nutzen Optimaler Bereich Zu hoher Aufwand

Abbildung 1-3: Aufwand-Nutzen-Relation bei der Simulationsanwendung

1.2.Zielsetzung und Einordnung der Arbeit 5

Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Optimierung der logistischen Qualität von Material-

flusssystemen. Hierbei werden ausschließlich Simulationsmodelle betrachtet, die

eine Bewertung der Logistikleistung zulassen. Ausgangsbasis sind hierbei mathema-

tische Grundmodelle, die die dynamischen Wirkungszusammenhänge der einzelnen

Systemkomponenten beschreiben. Die berücksichtigten Einflussfaktoren bestimmen

dabei den Informationsgehalt. Je nach Problemstellung des jeweiligen Anwen-

dungsfalles treten verschiedene logistische Teilaspekte in den Vordergrund. Diese

müssen systematisch hergeleitet und entsprechend im Rechnermodell hinterlegt

werden.

Eine durchgehende Entscheidungsunterstützung über die Planungsphasen erfordert

zudem eine Modellarchitektur, die sich den verschiedenen Fragestellungen und dem

Informationszuwachs anpasst.

Um das formulierte Ziel zu erreichen, werden bestehende Erkenntnisse der hierar-

chischen Modellierung an den untersuchten Einsatzbereich angepasst und weiter

ausgebaut. Arbeiten der jüngsten Vergangenheit haben sich mit den theoretischen

Grundlagen und den anwendungsorientierten Lösungsansätzen beschäftigt, die die

Simulationsanwendung in der Praxis zum Erfolg führen. Die Schwerpunkte liegen

hierbei auf der planungs- und betriebsbegleitenden Entscheidungsunterstützung (vgl.

Abbildung 1-2).

Die integrierte Simulationsanwendung für den planungsbegleitenden Einsatz er-

zwingt eine Systematik für eine durchgängige und planungsphasenübergreifende

Entscheidungsunterstützung. Der methodische Ansatz liegt im parallelen Aufbau des

Simulationsmodells entsprechend dem Planungsablauf [Griffel-98, Skudelny-94].

Dabei sind unterschiedliche Fragestellungen zu beantworten, die in der übergeord-

neten Betrachtung betriebswirtschaftlich geprägt sind und zunehmend technische

und personenbezogene Aspekte mit einbeziehen [Rauh-98, Heumann-93,

Buchberger-89]. Das Modell muss die realen Wirkungszusammenhänge ausreichend

beinhalten, um als zuverlässige Experimentiergrundlage zu dienen. Um systemati-

sche Erkenntnisse aus der Simulationsberechnung zu gewinnen, ist eine gezielte

Modelloptimierung entsprechend der definierten Zielsetzung erforderlich [Wang-95,

Kuprat-91]. Bei der gesamtheitlichen Planungsunterstützung kommt neben den

methodischen Ansätzen der softwaretechnischen Integration der Simulationsanwen-

dung, wie der CAD-Anwendung, eine große Bedeutung zu [Lehmann-96].


Die Unterstützung der Produktionsplanung und -steuerung im operativen Einsatz

stellt besondere Anforderungen an die Simulationstechnik. Die Echtzeitfähigkeit

sowie die verteilte Anwendung erfordern eine schnelle Simulationsberechnung und

eine vernetzte Software- und Hardwareumgebung. In [Lulay-99] wird hierzu ein

hierarchisches Rechnermodell sowie ein internetbasiertes Softwaresystem vorge-

stellt. Die Simulation kann dabei auch Offline als Testumgebung für neue Steue-

rungsstrategien dienen [Scholtissek-96].

Neben der ereignisdiskreten Simulationstechnik dienen weitere modellbasierte

Analysemethoden der Entscheidungsunterstützung. So stellt im Besonderen die

Warteschlangentheorie eine mathematische Grundlage dar, um Wartevorgänge im

Materialflusssystem analytisch zu bewerten [Rall-98]. Anfänge der dynamischen

Modelle basieren auf Petri-Netzen, die ein quasilogisches Modell auf elementaren

Systemelementen aufbauen [Hacke-87]. Weitere Ansätze beruhen auf der kennlini-

enbasierten Entscheidungsunterstützung. So wurde vor allem die Anwendung der

bestandsbezogenen Leistungs- und Durchlaufzeitkennlinie für unterschiedliche

Fragestellungen der Planung und im Betrieb aufgezeigt [Nyhuis-99, Fastabend-97,

Möller-96, Nittka-96, Ludwig-95].

Zentrales Thema bei den überwiegenden Ausarbeitungen ist die Wahl des ausrei-

chenden Modell-Detaillierungsgrades im jeweiligen Anwendungsfall. Das vorherr-

schende Dilemma wird mit einem Fehlen einer methodischen Unterstützung resü-

miert [Lulay-99]. Dabei darf die Simulationstechnik nicht als ein abgeschlossenes

Ganzes betrachtet werden, sondern muss unterschiedliche Analysemethoden zur

Bewertung der logistischen Qualität mit einbeziehen. Bei der Bewertung der Flexibi-

lität von automatisierten Materialflusssystemen wird je nach Systemausprägung das

konventionelle Berechnungsverfahren, die Warteschlangentheorie oder die ereignis-

diskrete Simulationsberechnung vorgeschlagen [Haller-99]. Entscheidend für einen

effektiven Einsatz der Analysemethode und der Simulationstechnik ist die Aufwand-

Nutzen-Relation.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen somit die Planungsaufgaben, von der

Konzepterstellung bis hin zur Realisierung. Operative Planungsaufgaben im Betrieb,

z.B. Auftragssteuerung, Produktionsplanung und -steuerung, stellen hingegen keinen

unmittelbareren Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Der hier entwickelte

Ansatz kann jedoch auch als Basis für diesen Anwendungsfall dienen.

1.3.Vorgehensweise 7

1.3 Vorgehensweise

Zur Beschreibung der Methodik wurde für die vorliegende Arbeit folgende Vorge-

hensweise gewählt (vgl. Abbildung 1-4).

Kapitel 4Konzept zur anforderungsgerechten Modellgestaltung

Kapitel 7Methode zur angepassten Modellgestaltung

Kapitel 1Einleitung und Zielsetzung

Kapitel 2Materialflussplanung in der variantenreichen Großserienfertigung

Kapitel 3Effektive Simulationsanwendung als Herausforderung

Kapitel 5Teilaspekte einer hierarchischen Modellabbildung

Kapitel 6Kriterien zur Bewertung der Modellanforderungen

Kapitel 8Verifizierung der Methodik am Anwendungsbeispiel

Kapitel 9Zusammenfassung und Ausblick

Abbildung 1-4: Gliederung der vorliegenden Arbeit

Aufbauend auf dem in Kapitel 2 entwickelten Anforderungsprofil, das die Material-

flussplanung in der variantenreichen Großserienfertigung erzwingt, fasst Kapitel 3 die

neuen Herausforderungen zur effektiven Planungsunterstützung zusammen. Neben

der Beschreibung der wesentlichen Grundlagen werden hierdurch auch die Anforde-

rungen an das Rechnermodell dargestellt. Das Konzept zur anforderungsgerechten

Modellgestaltung wird in Kapitel 4 vorgestellt und spiegelt die Erfordernisse der

Praxis für den planungsbegleitenden Einsatz der Simulationsanwendung und das

Entwicklungspotenzial wider.

Die Abbildung der Realität im Rechnermodell stellt die Grundlage für die Simulati-

onsanwendung dar. In Kapitel 5 erfolgt die Entwicklung einer Modellsicht, die den

Anforderungen der stufenweisen Detaillierung für variierende Fragestellungen


genügt. Die Auswertung von Kriterien der Modellanforderungen bietet Transparenz

bzgl. der Spezifika der Simulationsanwendungen. Deskriptive Indikatoren ermögli-

chen eine zuverlässige Bewertung des jeweiligen Anwendungsfalles, die in Kapitel 6

vorgestellt werden. Im nachfolgenden Kapitel 7 werden wesentliche Anwendungsfälle

(Kapitel 6) den unterschiedlichen Detaillierungsstufen (Kapitel 5) gegenübergestellt.

Dadurch kann der Modell-Detaillierungsgrad entsprechend den vorliegenden Bedürf-

nissen ausgewählt werden.

In Kapitel 8 erfolgt die Verifizierung der Methodik sowie der einzelnen Modelle an

einer prototypischen Anwendung. Am Beispiel der Halbleiterherstellung als Vertreter

der variantenreichen Großserienfertigung wird eine exemplarische Materialflusspla-

nung mit Unterstützung der Simulationstechnik beschrieben. Die Ergebnisse der

Simulationsläufe werden analysiert und diskutiert. Die Gegenüberstellung von

Aufwand und Nutzen führt zur Beurteilung der entwickelten Methodik.

Die vorliegende Arbeit schließt mit der Zusammenfassung der wesentlichen Erkennt-

nisse und der Grundzüge der entwickelten Methodik in Kapitel 9 ab.

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