 Leistungsanalyse von Fließproduktionssystemen
Die Leistungsanalyse dient der Bestimmung der Kenngrößen, z.B. Produktionsrate, Auslastungsanteile der Stationen, etc. eines Fließproduktionssystems (FPS). Sie ist eine notwendige Voraussetzung für die Optimierung eines FPS.
Fließproduktionssysteme können zahlreichen Zufallseinflüssen unterliegen.
An Handarbeitsplätzen sind z.B. zufällige Schwankungen der Bearbeitungszeiten zu
erwarten, während an automatisierten Stationen vor allem Störungen zu Produktionsunterbrechungen
führen. Solche zufälligen Einflüsse behindern die getaktete
abgestimmte Bewegung aller Werkstücke in einem FPS. Um die negativen Auswirkungen von Zufallseinflüssen
zu reduzieren, entkoppelt man die Stationen in einem
Fließproduktionssystem durch Puffer.
Im Rahmen der Leistungsanalyse (d.h. vor der Installation oder bei der Neukonfigurierung) eines FPS
interessiert sich der Systemplaner für die Probleme, die sich
daraus ergeben, daß aus der Sicht einer Arbeitsstation die Bearbeitungszeiten der unterschiedlichen
Werkstücke zufälligen Einflüssen unterliegen können und daß die
Aufenthaltsdauer eines Werkstücks an einer Station infolge von Störungen (z.B. Werkzeugbruch,
Probleme in der Materialzufuhr, etc.) sowie von Qualitätsproblemen
zufälligen Schwankungen unterworfen sein kann.
In diesen Fällen können Blockierungen und Leerzeiten an den Stationen zu erheblichen Leistungsverlusten führen.
Blockierung (nach der Bearbeitung) an einer Station tritt auf, wenn die Station die Bearbeitung
eines Werkstücks abgeschlossen hat und bereits ein unbearbeitetes
Werkstück vor der Station wieder auf die Bearbeitung wartet. Das gerade fertiggestellte Werkstück
kann jedoch wegen Platzmangels noch nicht an die unmittelbar
nachfolgende Station weitergegeben werden. Dies ist in dem folgenden Bild dargestellt, in dem angenommen
wird, daß die Bearbeitung des Werkstücks an Station 2
bereits abgeschlossen ist.
Leerzeit an einer Station entsteht, wenn zu dem Zeitpunkt, an dem das zuletzt bearbeitete Werkstück
die Station verläßt, kein weiteres unbearbeitetes Werkstück vor der
Station auf die Bearbeitung wartet. Diese Situation kann z.B. dann auftreten, wenn eine Station einmal
oder mehrfach hintereinander Werkstücke mit kurzen
Bearbeitungszeiten bearbeitet, während gleichzeitig an der unmittelbaren Vorgängerstation
relativ lange Bearbeitungszeiten auftreten. Derartige Ungleichgewichte
können auch durch Störungen verursacht oder verstärkt werden.
Leerzeiten, die im englischen Sprachraum mit dem Begriff "starving" (hungernd) beschrieben
werden, versucht man in der Planungsphase der (deterministischen)
Leistungsabstimmung durch die möglichst gleichmäßige Verteilung der Arbeitsbelastung
auf alle Stationen zu minimieren. Blockierungen, die nur bei begrenzten Puffern
möglich sind, können dazu führen, daß eine Station, die unter deterministischen
Bedingungen z.B. nur zu 70% ausgelastet wäre, zum outputbestimmenden Engpaß des
Systems wird. Die negativen Effekte von Blockierungen und Leerzeiten können durch Einfügen
von Puffern zwischen den Stationen reduziert oder sogar vollständig
beseitigt werden. Puffer nehmen bei Bedarf Werkstücke aus stromaufwärts gelegenen Stationen
auf bzw. geben Werkstücke an stromabwärts gelegene Stationen ab.
Bei unzureichend dimensionierten Puffern zwischen den Stationen wird es zu Blockierungen kommen, deren
Ausmaß umso größer ist, je größer die zufälligen Einflüsse
an den Stationen (Störungen, Schwankungen der Bearbeitungszeiten) und je kleiner die Puffer sind.
In Fließproduktionssystemen mit identischen Stationen (als
Ergebnis einer perfekt gelungenen Leistungsabstimmung) und beschränkten Puffern kann man beobachten,
daß das Ausmaß der Blockierung von der ersten Station bis
zur letzten Station sinkt, während der Anteil der Leerzeiten entsprechend ansteigt. Dies zeigt
das folgende Bild für ein FPS mit 10 Stationen mit jeweils zwei
Pufferplätzen.
Für Systeme dieser Art (homogene Systeme, d.h. FPS mit identischen Stationen einschl. Puffern, unbegrenzte Anzahl von Werkstückträgern)
gibt es generelle Aussagen über die optimale Positionierung der
Puffer. Ist z.B. eine gegebene Anzahl von Puffern auf die (identischen) Stationen zu verteilen, dann
sollte dies so geschehen, daß möglichst gleich große durch die
Puffer getrennte Subsysteme entstehen.
Blumenfeld hat folgende einfache
Abschätzungsformel für die Produktionsrate in einem
Fließproduktionssystem mit identischen Stationen und allgemein
verteilten Bearbeitungszeiten entwickelt:
$X(\mathrm{Puffer})=\frac{1}
{b\cdot
\left[
1+
\frac{1.67\cdot (M-1)\cdot CV} {1+M+0.31\cdot CV+1.67\cdot M\cdot
{\frac{\mathrm{Puffer}}{2\cdot CV}}}
\right]}
$
wobei $b$ die mittlere Bearbeitungszeit, $M$ die Anzahl Stationen, $CV$
den Variationskoeffizienten der Bearbeitungszeiten und Puffer die
Anzahl Puffer bezeichnen. Achtung: alle Stationen müssen identisch sein, auch die Puffergrößen.
Die Qualität von Blumenfelds Approximation zeigt folgendes Bild für
verschiedene Variationskoeffizienten und Puffergrößen im Vergleich zu Simulationsergebnissen. Es wurden in der Simulation für die Bearbeitungszeiten
eine Gamma-Verteilung angenommen.
Sind die Stationen dagegen bezüglich der mittleren Arbeitsbelastungen und/oder der Streuungen der
Bearbeitungszeiten und der Störcharakteristika nicht identisch (inhomogene Systeme) - dies ist der für die Praxis typische Fall -, dann können Aussagen über
die optimale Positionierung der Puffer nur nach Durchführung einer quantitativen Leistungsanalyse des FPS getroffen werden. Prinzipiell kann das mit einem Simulationsmodell geschehen. Dies ist i.d.R. aber sehr aufwendig, da man zunächst das Simulationsmodell entwickeln muß und anschließend eine statistisch signifikante Anzahl von Simulationsläufen durchführen muß.
Wegen der großen Anzahl möglicher
Konfigurationsalternativen benötigt der Planer aber ein Instrument, mit dem er schnell zuverlässige
Aussagen über die Leistungsfähigkeit einer betrachteten FPS-Konfiguration treffen kann. Ein
solches Instrument ist das Softwaresystem FlowEval, mit dem lineare und konvergierende Fließproduktionssysteme
mit beschränkten
Puffern zwischen den Arbeitsstationen analysiert und optimiert werden können (http://www.pom-consult.de). Dieses Programm wird in der deutschen Automobil-Industrie erfolgreich im Rahmen von Konzepten der
"Virtuellen Fabrik" in Kombination mit Simulationsmodellen eingesetzt.
Literatur:
|
Kuhn, H. und H. Tempelmeier (1997). Analyse von Fließproduktionssystemen. Zeitschrift
für Betriebswirtschaft 67, 561–586. |
|
Tempelmeier, H. (2003). Practical considerations in the design of flow production systems.
International Journal of Production Research 41, 149–170. |
|
Papadopoulos, H. T., C. Heavey und J. Browne (1993). Queueing Theory in
Manufacturing Systems Analysis and Design. London: Chapman&Hall. |
Powered by POM Prof. Tempelmeier GmbH.
Last changed: 15.09.2008 |
