Probleme der Pufferallokation und -verteilung in Reihenfertigungssystemen mit konsolidierten Puffern

Bearbeiterin Nora Krippendorff
Illustration: 123rf/macrovector

Zusammenfassung

Bei Einsatz umformender oder spanender Fertigungsverfahren unterliegen die Betriebsmittel mechanischen Beanspruchungen, die zu verschleißbedingten Störungen und abnehmenden Verfügbarkeiten der Anlagen führen können. Schon kurze derartige Störungen können in einer Reihenfertigung zu Blockaden und Leerläufen und damit zu Produktionsausfällen führen. Diese können jedoch durch eine Entkopplung der Produktionsstufen über Werkstückpuffer vermieden oder minimiert werden.

Üblicherweise werden in einem Reihenfertigungssystem dedizierte Puffer eingesetzt, die jeweils zwei aufeinanderfolgende Fertigungsstufen entkoppeln und deren Zwischenprodukt aufnehmen. Eine effizientere Nutzung der Pufferkapazitäten erreicht man, wenn konsolidierte Puffer für mehrere Zwischenprodukte gemeinsam verwendet werden. Im Gegenzug erhöht sich in diesem Fall der Förderaufwand für die Zwischenspeicherung der Werkstücke.

Im Rahmen der Pufferallokation ist eine gegebene Gesamtkapazität an Pufferplätzen auf eine zu bestimmende Menge an Puffern aufzuteilen und für jeden Puffer festzulegen, von welchen Zwischenprodukten dieser genutzt werden kann. Dabei sind prinzipiell auch Konfigurationen denkbar, bei denen einem Zwischenprodukt mehrere Puffer zugeordnet sind. Das von uns untersuchte allgemeine Problem der Pufferallokation besteht darin, jedem der Pufferplätze eine nichtleere Menge von Zwischenprodukten zuzuweisen. Als Zielsetzung der Pufferallokation wird häufig die Maximierung der Produktionsrate der Linie im stationären Gleichgewichtszustand untersucht. Ist die Gesamtkapazität der Puffer nicht vorgegeben, sondern Gegenstand der Planung, spricht man von einem Problem der Pufferverteilung.  Dieses erhält man aus dem Problem der Pufferallokation, wenn man auch die Zuweisung einer leeren Menge von Zwischenprodukten zulässt. Bei Problemen der Pufferverteilung werden typischerweise auch kalkulatorische Kapitalbindungskosten für die resultierenden Pufferbestände berücksichtigt. 

Für Konfigurationen, bei denen Zwischenprodukte jeweils mehreren Puffern zugeordnet wurden, tritt neben das taktische Problem der Pufferallokation bzw. -verteilung auf operativer Ebene auch ein Problem der Pufferbewirtschaftung. Hier ist für diese Zwischenprodukte zu entscheiden, wann Werkstücke an welchem Pufferplatz gespeichert bzw. von welchem Pufferplatz entnommen werden sollten, um Blockaden und Leerläufe weitestgehend zu vermeiden. Werden für den Transport der Werkstücke zwischen Fertigungslinie und Pufferplätzen Unstetigförderer eingesetzt, entsteht ein Scheduling-Problem für den Einsatz der Fördermittel.

Das Promotionsvorhaben beschäftigt sich mit der Entwicklung von Modellen und Methoden für die Pufferallokation und die Pufferverteilung in Reihenfertigungssystemen mit konsolidierten Puffern. Dabei sind neben der Produktionsrate und den Kapitalbindungskosten auch die Aufwände für den Transport der Werkstücke zwischen Fertigungslinie und Pufferplätzen zu berücksichtigen. Da die tatsächlichen Förderkosten von der Bewirtschaftung der Puffer auf der operativen Ebene abhängen, muss die Bewirtschaftungsstrategie bei der Pufferallokation bzw. -verteilung auf der taktischen Planungsebene antizipiert werden.

Ein erster Modellierungsansatz beruht darauf, den Materialfluss in der Fertigungslinie als einen homogenen Markov-Prozess darzustellen und die Durchsatzraten der verschiedenen Pufferkonfigurationen analytisch zu berechnen. Einfache Bewirtschaftungsstrategien können über die Struktur des zugehörigen Übergangsgraphen der Markov-Kette abgebildet werden.

Im weiteren Verlauf des Promotionsprojekts werden heuristische Methoden zur näherungsweisen Optimierung der Pufferallokation bzw. -verteilung und Pufferbewirtschaftung entwickelt, die auf einem Verfahren zulässiger Richtungen basieren.

 

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