Simulationsanwendungen für Industrie 4.0
Was es ist und wie Simulation helfen kann
"We stand on the brink of a technological revolution that will fundamentally alter the way we live, work and relate to one another."
(Klaus Schwab, Founder and Executive Chairman, World Economic Forum)
Was ist Industrie 4.0?
Intelligente Fertigung
Die intelligente Fabrik
(Graphic from Deliver on Your Promise, How Simulationbased Scheduling Will Change Your Business).
Smart Factory / Industry 4.0
Vier Gestaltungsprinzipien:
- Interoperabilität von Komponenten und Daten (IoT).
- Also die Fähigkeit möglichst nahtlos zwischen verschiedenen Systemen arbeiten zu können.
- Informationstransparenz.
- Support-Systeme helfen bei der Lösung von Problemen.
- Systemkomponenten arbeiten autonom.
Die Umsetzung dieser Vision erfordert ein Werkzeug, das vollständig mit dem automatisiertem Produktionssystem verbunden ist.
Simulation ist eine Schlüsseltechnologie zur Unterstützung dieser Vision.
Digitale Technologien umfassen
Internet der Dinge (IoT) und Industrielles Internet der Dinge (IIoT).
Robotik, Roboter.
Cloud Computing / Software als Service (SaaS).
Big Data / erweiterte Analysen.
Additive Fertigung.
Systemintegration.
Erweiterte Realität.
Simulation.
IT / Cybersicherheit.
Aktuelle Systeme & Daten
Das ist immer noch Industrie 3.0
Industrie 3.0
Aktuelle und historische Daten.
- Wie hoch ist unser aktueller OEE (Overall Equipment Effectiveness)?
- Was ist unser aktueller WIP (Work-in-Progress)?
- Was ist unsere Ressourcenverfügbarkeit?
- Haben wir unsere Ziele erreicht?
- Was ist unsere aktuelle Nachfrage?
- Was ist unser aktuelles Service-Level?
Industrie 4.0
Vorausschau, Was-Wäre-Wenn-Analysen, Alternativen vergleichen, Prozessüberprüfung & -Design, Leistung vorhersagen, Operationen planen.
Aktivierung der Smart Factory
Digitaler Zwilling
Bewältigung der Herausforderungen verstärkter Digitalisierung.
Um welche Herausforderungen handelt es sich?
Das Industrieelle Internet of Things (IIoT) ermöglicht es, dass Maschinen und Produkte mit Menschen und untereinander kommunizieren.
Wie kann man solch ein System entwickeln, benutzen und warten, um damit z.B. die Produktion zu optimieren und Kosten zu minimieren?
Begeben Sie sich gedanklich in den digitalen Zwilling…
Virtuelle Darstellung eines Produkts, Teils, Systems oder Prozesses mit dessen Unterstützung Sie erkennen können, wie es funktionieren kann.
- Möglicherweise existiert das System (noch) nicht.
Ein digitaler Zwilling eines Systems wird virtuell ausgeführt und entspricht annähernd einem physischen System in der realen Welt.
Ein digitaler Zwilling der gesamten Fertigungsanlage verhält sich virtuell ähnlich wie die gesamte Produktionsstätte in der realen Welt.
Einrichtung eines digitalen Zwillings
Ein eigenständiges Simulationsmodell wird als virtuelles Modell z.B. einer Fabrik bezeichnet.
Erst wenn es vervollständigt ist, z.B. gespeist mit Daten aus ERP- und MES-Systemen und läuft, wird es zum digitalen Zwilling.
Es muss möglich sein, mit den Daten Modelle aus den Daten zu erstellen, um als digitaler Zwilling zu fungieren.
Es ist wichtig, datengetriggert sein zu können, denn datengenerierte Modelle ermöglichen eine sofortige Reaktion bis hin zu grundlegenden Veränderungen wie dem Hinzufügen von Maschinen, Ressourcen und Produkten.
Wie/warum ist ein digitaler Zwilling möglich?
Es gab technologische Fortschritte.
- Rechnerisch.
- Technisch.
- Kommunikation.
- Datensicherheit.
- SaaS.
- Modellierung.
Modellierungskonzepte.
- Datengenerierte Modelle.
- Wir benötigen kein "perfektes" Abbild - "gut genug" funktioniert!
- Das Modell kann durch die Daten "lernen".
- Das Modell kann vom Modellierer "lernen".
Vorteile des digitalen Zwillings
Virtuelle Nachbildung eines Systems, in dem alle Elemente, die an den Prozessen beteiligt sind, interagieren und dynamisch miteinander verbunden sind.
Die leicht erzielbare Überwachung des Systems verbessert die Diagnose, Prognose und Untersuchung der Ursachen von Problemen, um die Effizienz und Produktivität zu steigern.
Dynamische Anpassungen der Betriebsumgebung, um auf jede Phase des Produktlebenszyklus positiv zu reagieren, bei der Planung, des Baus und dem Betrieb.
Die Rolle von Simulation
Warum traditionelle Simulation?
Eine intelligente Fabrik ist eine Fabrik, die genau die gleichen Probleme hat wie jede andere Fabrik.
Im Allgemeinen kann die Simulation objektiv verwendet werden, um Systeme zu bewerten und einen Einblick zu erhalten, wie die optimale Konfiguration und Bedienung aussehen.
Vorteile der traditionellen Simulation
Lieferkettenlogistik:
Ermöglichung von Just-in-time, Risikominderung, Ermittlung der Nachbestellungszeitpunkte, Produktionszuordnung, Bestandspositionierung, Notfallplanung, Routingauswertungen, Informationsfluss und Datenmodellierung.
Transport:
Materialtransport, Arbeitertransport, Fahrzeugdisposition, Verkehrsmanagement (Flugzeuge, Züge, Schiffe, Lastkraftwagen, Kräne und Gabelstapler).
Personal:
Bewertung des Qualifikationsniveaus, Personalausstattung und -zuweisung, Trainingspläne, Planungsalgorithmen.
Investitionen:
Bestimmung / Ermittlung der richtigen Investitionen in die richtigen Dinge zur richtigen Zeit.
Investieren für Wachstum:
Objektive Bewertung der Investitionsrendite (ROI).
Produktivität:
Linienoptimierung, Produktmixänderungen, Ressourcenzuweisung, Personalabbau, Kapazitätsplanung, vorausschauende Wartung, Schwankungsanalyse, dezentral Entscheidungen fällen.
Intelligente Fabrik Herausforderung 1
Herausforderung / Chance:
Größere und anspruchsvollere Komponenten.
Es ist schwer die Auswirkungen zu bestimmten Funktionen zu beurteilen.
Lösung:
Simulation ist möglicherweise das einzige Werkzeug, womit man folgendes durchführen kann:
- Objektive Bewertung der Interaktionen und Funktionen jeder einzelnen Komponente.
- Ein System designen, in dem zusammengearbeitet wird.
- Anpassen und optimieren dieses Systems.
Intelligente Fabrik Herausforderung 2
Herausforderung / Chance:
IT-Innovationen wie Big Data und Cloud. Der Betrieb erstellt Echtzeitdaten, die viel besser verfügbar sind.
Lösung:
Moderne Produkte ermöglichen die Einbindung solcher Daten in ein Modell.
Identifiziert Schwachstellen und Risikobereiche vor der Implementierung.
Intelligente Fabrik Herausforderung 3
Herausforderung / Chance:
Die dynamischen Prozesse in einer Smart Factory ermöglichen operative Flexibilität wie intelligentes Reagieren auf System- und/oder Ressourcenausfälle sowie automatische Korrekturmaßnahmen / Maßnahmen sowohl zur Behebung des Fehlers, als auch zur Umgehung des Ausfalls mit entsprechenden Routing-Änderungen.
Lösung:
Eine Simulation kann dabei helfen, diese Aktionen zu bewerten und alternative Lösungen zu finden.
Intelligente Fabrik Herausforderung 4
Herausforderung / Chance:
Unternehmensziele für Smart Factories beinhalten oft die folgenden zwei wesentlichen Aspekte:
- Standardisierung von Daten und Systemen.
- Harmonisierung von Menschen und Prozessen.
Lösung:
Nutzen Sie das virtuelle Fabrikmodell zur Identifikation und Adressierung von Dateninkonsistenzen und -abweichungen.
Testen Sie verschiedene Betriebsrichtlinien und Entscheidungsregeln, um den besten globalen Prozess zu bestimmen und auszurichten, allen Fabriken und deren Anforderungen entsprechend.
Intelligente Fabrik Herausforderung 5
Herausforderung / Chance:
Es ist schwer zu beschreiben, wie ein komplexes System funktioniert, und noch schwieriger, es zu verstehen.
Standardisierung von Daten und Systemen.
Harmonisierung von Menschen und Prozessen.
Lösung:
Das Modell selbst wird zum Wissensspeicher - sowohl direktes Wissen eingebettet in seine Komponenten, als auch indirektes Wissen, das sich aus der Ausführung ergibt.
Die Modellanimation hilft den Beteiligten zu verstehen, wie das System funktioniert, also können sie effektiver an der Problemlösung partizipieren und besserer Ergebnisse erzielen.
Vorteile der Simulation
Zusammenfassend:
Bietet einen starken Wettbewerbsvorteil während der Entwicklung, dem Einsatz und der Ausführung einer intelligenten Fabrik / Smart Factory.
Ergibt ein System, das in kürzerer Zeit bereitgestellt werden kann, mit weniger Problemen und Kosten. Ein schneller Weg zur optimalen Rentabilität.
Die Rolle von simulationsgestützter Auftragsfeinplanung / Scheduling
Anforderungen an die Industrie 4.0-Modellierung
Erweitern Sie die Simulation über ihrer traditionellen Rolle hinaus. Verbesserung des Systemdesigns in den Bereich der Bereitstellung. Schnelleres, effizienteres Prozessmanagement und gestiegene Produktivität.
Dasselbe Simulationsmodell kann verwendet werden, um es um Scheduling -Funktionalitäten zu erweitern. So wird es ein wichtiges Business-Tool in der Planung des Tagesgeschäfts in der Industrie 4.0-Umgebung.
Industrie 4.0, Anforderungen
Genauigkeit:
Das Modell muss genau genug sein, um Haupteinschränkungen und die Systemleistung erkennen zu können.
Schnelligkeit:
Muss auf die Systemänderungen schnell (nahezu) in Echtzeit reagieren können.
Visualisierung:
Muss Entwicklern / Planern, Analysten und andere Personen ermöglichen zu verstehen, wie das System funktioniert und wie man damit experimentieren kann.
Andere Planungsansätze
Die manuelle Planung lässt sich nicht gut und auf größere, komplexe Operationen skalieren.
Durchlaufzeitbasierte Planung (herkömmliche nicht-stochastische APS-Systeme) erzeugt u.U. unberechtigten Optimismus und unrealistische Zeitpläne.
Spezialisierte Planer ohne effiziente Lösungen wie Simio RPS an der Hand zu haben sind aufgrund der fehlenden Lösungen oft zu langsam und zu teuer, um eine Planung effizient und exakt zu erstellen, und darüber hinaus ist es schwierig, schnell Anpassungen und Aktualisierungen daran vorzunehmen, weil es für ein spezielles System entwickelt wurde.
Industrie 4.0, Ziele erreichen
Die simulationsbasierte Planung bietet:
Genaue Modellierung aller Elemente - ein flexibles Modell wird aus computergestützten Informationen generiert, einschließlich vollständiger Darstellung von Betriebsbeschränkungen sowie benutzerdefinierte Regeln.
Schnelle Berechnung von Zeitplänen - Berechnung von Fahrplänen und Fahrplanalternativen, Vergleich und Verteilung erfolgt schnell und präzise.
Einfache Darstellung – computergestützte Simulation ermöglicht es, den Zeitplan klar zu kommunizieren und dies effektiv über alle Organisationsebenen hinweg.
Simulation als digitaler Zwilling
Das fehlende Stück zur Smart Factory
Aktivierung der Smart Factory
- Datengesteuertes, detailliertes Simulationsmodell erstellen.
- Prozesse im digitalen Zwilling abbilden.
- Die Systemleistung analysieren.
- Integrierte Echtzeit-Auftragsfeinplanung durchführen.
Nutzung von Simio RPS zur Auftrags-Feinplanung (Scheduling)
Es gibt viele Daten aus verschiedenen Systemen, welche zusammengeführt werden müssen.
- Daten durch Benutzereingaben.
- Daten aus MS Excel.
- Daten aus Datenbanken.
- Daten aus ERP-Systemen.
- Daten aus MES-Systemen.
- Daten aus Netzwerken.
- Durch Automatisierung erhobene Daten.
Kernfunktionen
Echtzeitinformationen zu Lagerbeständen, Komponenten, historischen Daten, Ablaufdaten, Transport, Logistik u.v.m. Durch diese Daten, die in das Modell eingespeist werden, ändern sich auch die Pläne und Termine.
Bewerten Sie alternative Bezugsquellen, während potenzielle Verluste und Unterbrechungen minimiert werden.
Simulationsmodelle können die Auswirkungen von Veränderungen in der Produktion an einer Stelle (z.B. eine Maschine fällt aus oder Mitarbeiter erkrankten) im gesamten System aufzeigen.
Überarbeitete Handlungsabläufe können manuell bzw. automatisch bewertet werden, um dann eine Lösung bereitzustellen.
Stellen Sie die Produktion sicher, wobei die Kosten minimiert und die Qualität unter allen Umständen gesichert wird.
Der Kern eines digitalen Zwillings
Bei der Verwendung von Auftrags-Feinplanung (Scheduling) mit datengesteuerten/-erstellten Simulationsmodellen wird die Rolle eines digitalen Zwillings erfüllt.
Eine Materialflusssimulation kann den Kern einer intelligenten Fabrik bilden:
- Das Simulationsmodell kommuniziert mit allen kritischen Systemen und Untersystemen.
- Sammeln Sie Planungs- und Ausführungsinformationen in Echtzeit.
- Erstellen Sie automatisch einen kurzfristigen Zeitplan.
- Stellen Sie die Ergebnisse der Auftrags-Feinplanung (Scheduling) den Systemen bereit.
Fortschrittliche simulationsbasierte Planungssoftware ist dafür besonders geeignet:
- Fähigkeit zur Batch- oder Echtzeitkommunikation mit jedem Subsystem.
- Modellierung komplexer Logik, welche die Fabrik abbildet.
- Nutzen Sie ausgeklügelte Techniken, um einen optimalen Auftragsplan zu entwickeln.
- Reagieren Sie auf Abweichungen im Auftragsplan, die durch Probleme in der Fabrik entstanden sind.
Ein digitaler Zwilling deckt die letzten verbliebenen Probleme intelligenter Fabriken auf.
Simio als Kern des digitalen Zwillings
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