Schlanke Intralogistik bei ungerichteten Materialflüssen

Martin-Christoph Wanner, Jan Sender und Oliver Herzig

Der vorliegende Artikel beschreibt, wie die Materialflusssimulation bei der Intralogistikplanung eingesetzt werden kann. Der Fokus liegt dabei auf der Einführung eines schlanken Logistiksystems für Hallenaußenbereiche. Aufgrund hoher Variantenvielfalt und gewachsener Strukturen liegen hier häufig keine wertstromgerechten Werkslayouts vor. Es stellt sich die Frage, ob schlanke Logistiksysteme dennoch sinnvoll einsetzbar sind. Dafür wurde ein Simulationsmodell zur Materialflussanalyse entwickelt.

Problemstellung
Neben den Produktionsprozessen, welche als Kern der Wertschöpfung besondere Aufmerksamkeit verlangen, stehen insbesondere die unterstützenden Prozesse der Logistik im Fokus der Betrachtung. Die Dezentralisierung von Kapazitätseinheiten ist dabei ein fester Bestandteil der schlanken Denkweise. Während die dezentrale Materialversorgung durch Routenzüge innerhalb der Werkshallen bereits vielfach etabliert ist, werden die Außenbereiche der Hallen zumeist traditionell durch Gabelstapler miteinander verbunden. Diese Form der Materialversorgung führt zu zahlreichen Verschwendungen, die Ausdruck in Form von Leerfahrten und Umlagerungen finden. Berücksichtigt man die Definition der Verschwendung, sind auch die intralogistischen Vorgänge zwischen den Werkshallen als solche zu werten. Da Transportvorgänge nie gänzlich entfallen können, ist die Intralogistik als Verschwendung 1. Art (jap. Hiragana Muda [1]) zu definieren. Diese Prozesse sind nicht wertschöpfend, aber unter den gegebenen Umständen nicht zu vermeiden, weshalb sie im Fokus von Optimierungen stehen sollten. Hier hat sich das Routenzugsystem als Lösung zur schlanken Materialversorgung bewährt [2]. Die idealen Voraussetzungen hinsichtlich der Werksstrukturen sind jedoch oftmals nicht gegeben (Bild 1). Daher wurde eine Methodik zur Planung schlanker Logistiksysteme bei ungerichteten Materialflüssen entwickelt.


Bild 1: Reale und ideale Werkslogistik.

Herausforderungen
Bei der Auslegung eines Routenzugsystems für die Werkslogistik existieren mehrere zu bewältigende Planungsaufgaben:

  • Routen müssen ermittelt werden
  • Zielgrößen (Servicegrade, Routendauern, etc.) müssen erfüllt werden
  • Takte verschiedener Hallen müssen miteinander verknüpft werden

Die aufgeführten Planungsaufgaben haben starke Interdependenzen und können um weitere Planungsaufgaben erweitert werden. Dies erhöht die ohnehin hohe Komplexität weiter. Der Planungsablauf erfolgt in den nachfolgend erläuterten Schritten (Bild 2).

Analyse
Die Ermittlung und Bewertung geeigneter Transportrouten der Außenbereiche, die hier als Kern der Planungs-tätigkeit im Vordergrund steht, erfordern eine fundierte Datengrundlage. Zu den benötigten Daten gehören die Materialumsätze zwischen den Stationen, ausgedrückt in einer Transportmatrix, und Angaben über Entfernungen zwischen den Stationen in Form einer Entfernungsmatrix. Die Praxis zeigt, dass die Datenlage der Unternehmen stark unterschiedlich ist. Bei entsprechender Datenpflege können die Informationen dem ERP-System entnommen werden. Sofern keine grundlegenden Daten vorhanden sind, müssen diese durch Prozessanalysen ermittelt werden. Besonders bei großen Entfernungen hat sich die Methode der Videoanalyse bewährt, mit welcher die Prozesse der Intralogistik durch Kameras, die an den Fahrzeugen befestigt sind, untersucht werden können.


Bild 2: Planungsvorgehen.

Konzeptionierung
Durch die geschickte Kombination der anzufahrenden Stationen zu einem werksinternen Milk Run kann die Flussgeschwindigkeit der Transportgüter deutlich erhöht werden. Der Routenzug verbindet somit die verschiedenen Be- und Entladestationen eines Werkes zu einer in regelmäßigen Zeitabständen befahrenen Materialhandhabungsroute [3]. Für die Ermittlung der Routenvarianten wurden in einem Industrieprojekt in der Automobilzulieferindustrie Videoanalysen durchgeführt, um auf Basis der ermittelten Daten drei Routenkategorien aufzustellen:

  • Kürzeste Route
  • Bedarfsorientierte Route
  • Kombinierte Route

Dabei kommen Verfahren des Operations Research zur Anwendung. Mit Hilfe des Spaltensummenverfahrens [4] konnte unter Berücksichtigung der Entfernungsmatrix die kürzeste Route berechnet werden, die alle anzufahrenden Stationen miteinander verbindet. Weiterhin wurden bedarfsorientierte Transportrouten ermittelt, welche auf der Transportmatrix basieren und die Wegstrecken mit den stärksten Materialumsätzen priorisieren. Kombinierte Transportrouten stellen eine Verknüpfung kürzester und bedarfsorientierter Strecken dar.

Bewertung der Transportrouten durch Materialflusssimulation
Um die erstellten Routenvarianten hinsichtlich der Planungsziele zu untersuchen, wurde die Materialflusssimulation als geeignetes Hilfsmittel ausgewählt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die Möglichkeit der dynamischen Untersuchung eines ereignis-diskreten Systems [5]. Zudem können die stochastischen Einflüsse des Transport-aufkommens berücksichtigt werden. Eine Simulationsstudie ermöglicht es, neue Ideen schnell durch Variation von Simulationsparametern umzusetzen, sodass sie in ihrer Wirksamkeit bewertet werden können. Der Aufbau des Simulationsmodells erfordert Daten, welche die logistischen Abläufe charakterisieren. Dazu zählen insbesondere die zeitlichen Abstände zwischen zwei an einer Station entstehenden und zwischen zwei an einer Station benötigten Transporteinheiten. Sie können in einer Zeitabstandsmatrix dargestellt werden. Eine aufzustellende Verteilungsmatrix gibt für die gesamten Transporte an, mit welcher Wahrscheinlichkeit die von einer Station kommende Transporteinheit an einer anderen Station benötigt wird. Die für die Auslegung des Transportsystems wesentlichen Einstellungsparameter der Simulation sind:

  • Maximale Kapazität des Transportsystems [TE]
  • Anzahl der Schleppzüge
  • Geschwindigkeit der Züge [m/s]
  • Be- und Entladezeit je Transporteinheit [s/TE]
  • Definition der Transportrouten
  • Transportaufkommen an den Stationen

Im Rahmen der Simulationsumgebung Plant Simulation (Siemens) wurde zunächst ein Stationsbaustein entwickelt. Dieser regelt an jeder Station die Be- und Entladevorgänge. Es wird überprüft, ob Transporteinheiten des einfahrenden Transportsystems an der aktuellen Station abgeladen werden müssen. Ist dies der Fall, wird jede Transporteinheit mit der vorgegebenen Entladezeit beaufschlagt. Anschließend wird geprüft, ob das Transportsystem freie Plätze für die Aufnahme von bereitstehenden Transporteinheiten hat. Für diesen Prozess wird je Transporteinheit die vorgegebene Beladezeit beaufschlagt. Somit können die Be- und Entladeprozesse in dynamischer Abhängigkeit der Auslastung des Transportsystems abgebildet werden. An jeder Station entsteht entsprechend den Ergebnissen der Analysephase ein Transportaufkommen. Die Analyse gibt dabei die zeitlichen Abstände sowie die statistische Verteilung der Zielstationen vor. Beim Beladen des Transportsystems wird hier nach dem FIFO-Prinzip vorgegangen. Die Analyse hat zudem für jede Station den Bedarf an Transporteinheiten je Zeiteinheit aufgedeckt. Daraus wurde für jede Station ein Bedarfstakt abgeleitet. Dieser Bedarfstakt zählt intern in einem definierten Zeitabstand einen Bedarfszähler hoch. Sobald ein Transportsystem an der Station anhält und eine bestimmte Menge abliefert, wird der Bedarfszähler um diese Menge reduziert. Auf diese Weise kann anhand des Bedarfszählers der Servicegrad der Station dynamisch nachverfolgt werden. Im Idealfall ist der Bedarfszähler null. Die Analysen haben ergeben, dass der Bedarfszähler dynamisch schwankt und sich um einen bestimmten Wert einpendelt.
Nachdem die logistischen Prozesse der Intralogistik modelliert wurden, galt es die Stationen durch die Vorgabe der Routen zu verknüpfen. Dazu wurden die Stationen so realisiert, dass sie als einfache Stationsmodule in jede beliebige Routenstruktur integriert werden können. Die aufgestellten Routenvarianten werden somit einfach durch die Verbindung der Stationsmodule mit den in Plant Simulation zur Verfügung stehenden Streckenelementen umgesetzt. Im letzten Schritt werden die Transportsysteme modelliert, welche ebenfalls mit den Standardelementen in das Simulationsmodell integriert werden.


Bild 3: Ergebnisse der Simulation.

Variation von Simulationsparametern
Der Planer kann die definierten Planungsparameter zentral manipulieren. Somit können Parameter des Systems (z.B. Kapazitäten, Bedarfe, etc.) variiert und direkt evaluiert werden. Die Simulationsergebnisse werden in Form eines Berichts mit Diagrammen zu Servicegraden, Routendauern, Auslastung und weiteren Zielgrößen bereitgestellt (Bild 3). Durch die flexible Veränderung von Planungsparametern können Sensitivitätsanalysen durchgeführt werden [6]. Im Rahmen des Industrieprojektes konnte dadurch aufgedeckt werden, dass eine Veränderung der Geschwindigkeit des Transportsystems nur einen sehr geringen Einfluss auf die Gesamtperformance des Logistiksystems hat. Vielmehr war in diesem Fall die maximale Kapazität des Transportsystems sowie die Be- und Entladezeiten an den Stationen entscheidend für die Leistungsfähigkeit.

Fazit
Ein Produktionssystem kann dem Anspruch der Ganzheitlichkeit nur gerecht werden, wenn neben den Produktionsprozessen auch die intralogistischen Prozesse schlank gestaltet sind. Die hohe Komplexität der Planung von Routenzugsystemen für Außenbereiche kann durch eine Materialflusssimulation reduziert werden. Im Rahmen eines Industrieprojekts wurde mit Hilfe der Simulation untersucht, ob die schlanke Materialversorgung zwischen Werkshallen bei ungerichteten Materialflüssen möglich ist. Dabei konnte die Eignung eines Routenzugs unter Berücksichtigung natürlicher Schwankungen der Routendauer nachgewiesen werden.

 

Schlüsselwörter:

Materialflusssimulation, Intralogistik, Milk Run, Routenzug, Transportrouten

Literatur:

[1] Bicheno, J.; Holweg, M.: The Lean Toolbox –The Essential Guide To Lean Transformation (4. Edition), PICSIE Books, Buckingham, S. 20
[2] Martin, H.: Transport- und Lagerlogistik –Planung, Struktur, Steuerung und Kosten von Systemen der Intralogistik (7. Auflage), Vieweg + Teubner Verlag 2009, S. 261
[3] The Lean Enterprise Institute, Inc.: Lean Lexicon –A Graphical Glossary For Lean Thinkers (2. Edition), The Lean Enterprise Institute 2004, S. 47
[4] Eichholz, W.; Vilkner, E.: Taschenbuch der Wirtschaftsmathematik (5. Auflage), Carl Hanser Verlag, München, 2009, S. 339
[5] Bayer, J.; Collisi, T; Wenzel, S.: Simulation in der Automobilproduktion. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 2003, S. 157
[6] Plümer, T.: Logistik und Produktion, Oldenbourg Verlag, München, 2003, S. 29