Simulation ist das Nachbilden eines dynamischen Prozesses in einem System mit Hilfe eines experimentierfähigen Modells, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. [VDI 3633, Blatt 1, (2015)]

Vereinfacht heißt simulieren also:

• im Rechner ein Modell zu bauen,
• mit dem Modell zu experimentieren und
• daraus wertvolle Schlüsse für die Realität zu ziehen.

Es gibt verschiedene Simulationsverfahren, die z. B. für die Wettervorhersage oder die Flugsimulation eingesetzt werden.

In unserem Fall ist die Rede von Ablauf- bzw. Materialflusssimulation. Diese Form der Simulation bezeichnet man auch als diskrete ereignisorientierte Simulation. Prinzipiell geht es darum, den Fluss von Stückgut durch einen Prozess mit definierten Zeiten abzubilden.

Bereits seit mehreren Jahren wurde das Anwendungsspektrum dieser Simulationsmethode beständig erweitert. So werden inzwischen beispielsweise Personenströme, Geschäftsprozesse oder Verkehrsabläufe simuliert. Deshalb beschreibt der Begriff „Ablaufsimulation“ die Methode treffender.

Die Ablaufsimulation dient als Hilfsmittel:

• in Vertrieb und Marketing,
• in der Planung,
• Realisierung und
• im Betrieb eines logistischen Systems.

Idealerweise wird die Simulation als Werkzeug zur Optimierung und Prognose von Kennzahlen in allen Phasen des Lebenszyklus eines logistischen Systems eingesetzt. Der Betrachtungsumfang kann dabei von einem Teilbereich der Produktion oder des Lagers bis hin zu einem kompletten Liefernetzwerk reichen.

Anlagenhersteller, Maschinenbauer oder Lagerlieferanten können die Simulation verwenden, um ihren Kunden ein realistisches Bild ihres Systems zu vermitteln. Das ist insbesondere in der Angebotsphase interessant, um Kunden die Abläufe transparent zu machen und damit Vertrauen zu gewinnen.

In einer solchen Phase ist es nicht immer möglich, bereits ein detailliertes Simulationsmodell der Anlage zu erstellen, da noch wichtige Daten fehlen oder bestimmte Abläufe ungeklärt sind. Aus diesem Grund wird häufig auf ein Simulationssystem zurückgegriffen, dessen Fokus auf der Visualisierung liegt.

Verstehen durch Visualisierung

Es geht nicht in erster Linie darum, konkrete Simulationsergebnisse wie Durchsätze, Auslastungswerte oder Durchlaufzeiten zu liefern. Stattdessen soll die Animation dazu dienen, ein gemeinsames Verständnis des geplanten Prozesses zu erarbeiten. Dabei ist es hilfreich, wenn die eingesetzte Simulationssoftware über eine schnell und einfach zu erstellende, möglichst hochwertige 3D-Animation verfügt.

Im Rahmen der Ausschreibung werden Bieterkonzepte auf identischer Datenbasis simulativ verglichen

In bestimmten Fällen wird jedoch bereits in der Angebotsphase für eine geplante Anlage vom zukünftigen Betreiber eine detaillierte Simulation der Anlage gefordert. Das ist z. B. der Fall, wenn der Kunde vor der Ausschreibung selbst ein konkretes Konzept geplant hat.

Dieses Konzept inkl. aller erforderlichen Daten ist Bestandteil der Ausschreibung. Der Betreiber fordert eine Simulation, um anhand der daraus gewonnenen Kennzahlen sicherzustellen, dass die angebotene Anlage den Anforderungen gerecht wird.

Häufig wird hierbei auf einen unabhängigen Simulationsdienstleister zurückgegriffen, um eine neutrale Analyse des angebotenen Systems durchführen zu können.

Neue Anlagen werden mit Hilfe der Simulation auf Durchsatz, ausreichende Dimensionierungen, Durchlaufzeiten, Leistungsgrenzen, Störeinflüsse, Personalbedarf und auf sonstige Planungsparameter hin überprüft. Zudem können verschiedene Alternativen bewertet und miteinander verglichen werden.

Vorhandene Anlagen werden im Ist-Zustand abgebildet und durch gezielte Modifikationen innerhalb des Modells optimiert. So kann z. B. der Einsatz einer anderen Steuerungsstrategie zu einem höheren Durchsatz führen.

Zeit und Kosten sparen!

Diese Untersuchungen an der realen Anlage vorzunehmen würde sehr viel Zeit in Anspruch nehmen und hohe Kosten verursachen. Änderungen am System können in der Planungsphase anhand des Simulationsmodells hingegen leicht und ohne Beeinflussung des laufenden Betriebs durchgeführt werden.

Der frühe Einsatz der Simulation im Planungsprozess hilft oft schon bei Grundsatzentscheidungen zu Beginn einer Planung. Ein mit dem Detaillierungs- und Wissensstand der Planung wachsendes Simulationsmodell beschleunigt den Planungsprozess und unterstützt eine iterative Vorgehensweise bei der Lösungsfindung.

Das Simulationsmodell dient den Steuerungsprogrammierern als Vorlage zur Erstellung der Anlagensteuerung. Voraussetzung dafür ist eine möglichst realitätsgetreue Abbildung der IT-Struktur im Simulationsmodell. Die klassischen Steuerungsebenen in einem Lagersystem sind beispielsweise:

• ERP (Auftragsverwaltung),
• LVS (Lagerverwaltungssystem),
• MFR (Materialflussrechner),
• SPS (unterlagerte Steuerungen der Anlage).

Eine analoge Struktur im Simulationsmodell vereinfacht die Ableitung der Steuerungen für das reale System.

Zudem ist diese Struktur Voraussetzung für die Nutzung des Modells zur virtuellen Inbetriebnahme von realen Steuerungen, da das Modell bei entsprechendem Aufbau auf verschiedenen Steuerungsebenen mit dem realen System gekoppelt werden kann.

Eine Kopplung von Modell und realer Steuerung wird auch als Emulation bezeichnet. Dabei wird die Steuerungslogik im Simulationsmodell durch die Steuerung von außen ersetzt.

Emulation verkürzt die Inbetriebnahmezeit

Der Informationsaustausch zwischen den Steuerungsebenen erfolgt, wie im realen System auch, auf Telegrammebene. Wird die SPS-Ebene getestet, so enthält das Emulationsmodell nur noch die Hardwarefunktionalität. Bei Inbetriebnahme des MFR oder LVS enthält das Modell jeweils noch die unterlagerten Steuerungen.

Mittels Emulation kann die Steuerung bereits in Betrieb genommen werden, bevor die reale Anlage existiert. Zudem kann die Steuerung unter hoher Systemlast getestet werden. Kritische Situationen können im Modell auf Knopfdruck erzeugt werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Reproduzierbarkeit von Fehlersituationen, da sich das Simulationsmodell unter unveränderten Bedingungen immer gleich verhält.

Wenn man sich vorstellt, dasselbe in einem realen System oder z. B. bei der Inbetriebnahme der realen Anlage auf der Baustelle durchzuführen, wird schnell klar, wie viel Zeit dies kosten würde.

Die Emulation verkürzt demzufolge die Inbetriebnahmezeit einer Anlage deutlich. Sie führt ferner zu einer höheren Qualität der Steuerung, da in der kurzen Zeit mehr Szenarien getestet werden können. So können beispielsweise Lastsituationen geprüft werden, die in der Wirklichkeit erst in Monaten oder gar Jahren auftreten.

Werden Steuerungen eines existierenden Systems geändert, ist die Emulation eine wichtige Voraussetzung für einen möglichst störungsarmen Übergang zur neuen Steuerung. In der Realisierungsphase kann das Emulationsmodell außerdem zu Schulungszwecken eingesetzt werden. Das Bedienpersonal kann mit Hilfe des Modells auf das neue System vorbereitet und gezielt auf wichtige Anlagenzustände hin geschult werden.

Für die Simulation im laufenden Betrieb sind grundsätzlich folgende Anwendungsfälle zu unterscheiden:

1. Einsatz als Prognosewerkzeug („simulationsgestützter Leitstand“):

Der vorausschauende Test des Tagesprogramms einer Anlage gibt Aufschlüsse über die notwendige Bereitstellung von Personal und Betriebsmitteln, über Auftragsdurchlaufzeiten und über die Auslastung der Anlage. So können beispielsweise verschiedene Auftragsreihenfolgen, Losgrößen oder Maschinenbelegungen im Vorfeld des Tagebetriebs verifiziert werden.

Die Simulation liefert Kennzahlen anhand derer die Qualität der Lösung beurteilt werden kann. Noch vor Start eines Tagesprogramms kann auf diese Weise nach der besten Lösung gesucht werden.

In vielen Fällen wird die Suche nach einer Lösung durch Optimierungsverfahren, z. B. Heuristiken, unterstützt. Diese Anwendung wird auch als „simulationsgestützter Leitstand“ bezeichnet.

Bild: FactoryHub.MES als Beispiel für ein simulationsgestütztes Manufacturing Execution System (MES)

2. Betreibermodell:

Der Anlagenbetreiber kann das Simulationsmodell auch nach Abschluss eines Projekts einsetzen, um z. B. zukünftige Prozessanpassungen wie die Integration neuer Produkte in die bestehende Fertigung oder die Abwicklung der Logistik für einen Neukunden durch einen Dienstleister in einem bestehenden Logistikzentrum zu analysieren.

Ein wichtiger Vorteil ist die hohe Geschwindigkeit einer Simulationsstudie, wenn ein Betreibermodell vorhanden ist, da der Ist-Prozess im Modell bereits existiert. Das Modell muss einzig auf die vorgesehenen Veränderungen angepasst werden.

Bevor die Entscheidung für die Durchführung einer Simulationsstudie fällt, sollte geklärt werden, ob alle Voraussetzungen für ein erfolgreiches Projekt erfüllt sind. Fehlen Erfahrungen im Umgang mit dem Werkzeug Simulation, empfiehlt es sich, bereits in der Grundsatzentscheidung einen Berater hinzuzuziehen. Er kann beurteilen, ob Simulation für die individuelle Problemstellung geeignet ist.

In der Anfangsphase sollte man sich zudem entscheiden, ob man:

1. einen betriebsinternen Simulationsdienstleister aufbaut oder
2. einen externen Simulationsdienstleister beauftragt.

Diese Entscheidung sollte auf Basis folgender Bedingungen gefällt werden:

• Verfügbarkeit von personellen Kapazitäten: Es sollten mindestens 2 Mitarbeiter eingearbeitet werden.
• Vergleich Kosten für internen und externen Dienstleister (jeweils inkl. Unterstützungsaufwand seitens der Fachabteilung): Gegenüberstellung der Kosten für Softwarebeschaffung, Schulung und Einarbeitungsaufwand mit den Kosten für einen externen Dienstleister
• Umfang der Simulationsaufgaben in den nächsten 2-3 Jahren: Ergeben sich über die aktuelle Anforderung hinaus Projekte mit Simulationsbedarf? Lasten diese Aufgaben 1-2 Mitarbeiter aus?

Abb: Beispiel für eine Anlagenvisualisierung mit Demo3D – Quelle: Kuka Systems GmbH

Außerdem ist zu beachten, dass fehlende Erfahrungen beim Umgang mit Simulation

• die Wahrscheinlichkeit von Modellierungsfehlern erhöht und
• zu längeren Projektlaufzeiten führt.

Um dies zu vermeiden, empfiehlt es sich, auch bei Aufbau eines betriebsinternen Dienstleisters, das erste Projekt in Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Berater durchzuführen. Das garantiert eine effektive Übertragung von Know-How auf den Einsteiger.

Denkbar sind aber auch andere Varianten wie die „verlängerte Werkbank“. Das heißt, ein interner Mitarbeiter wird in der Abwicklung von Simulationsprojekten sowie der Bedienung von Modellen geschult. Die Erstellung der Modelle jedoch wird von externen Dienstleistern zugekauft.

Nachdem Sie die Entscheidung über die Durchführung einer Simulationsstudie getroffen haben, stellt sich die Frage nach dem richtigen Simulationssystem oder dem geeigneten externen Dienstleister.

Beim Kauf eines Simulationssystems sind viele Faktoren zu berücksichtigen, z. B.:

• Welche Voraussetzungen hat der spätere Anwender der Software?
• Sollen Daten aus Datenbanken oder CAD-Systemen in das Simulationsmodell übernommen werden?
• Bietet die Software spezielle Lösungen für Ihre Anwendung?

Ihr Weg zum richtigen System und Dienstleister

Die meisten Simulationssystemhersteller bieten eine Probeinstallation bzw. eine zeitlich begrenzte Miete des Systems an. Dieses Angebot empfiehlt sich insbesondere deshalb, weil man erst im Umgang mit der Software ihre Vor- und Nachteile kennenlernt und kostengünstig das auf die individuellen Anforderungen passende System bestimmen kann.

Oder Sie entscheiden sich für unser Toollabor. In ein bis zwei Tagen (je nach Umfang der Aufgabe und Anzahl der zu testenden Simulationssysteme) können Sie die gängigen Systeme am Markt anhand Ihrer individuellen Anforderung testen. Sie bekommen einen kompakten Überblick über den Funktionsumfang und Handhabbarkeit der verschiedenen Softwaresysteme.

Eine steigende Zahl an Beratungsunternehmen bietet heute Simulationsdienstleistungen an. Entscheidende Kriterien für die Auswahl des richtigen Partners sind:

• Hat der Dienstleister Erfahrungen in dem spezifischen Bereich? (Referenzen anfordern)
• Wer wird auf Seiten des Dienstleister das Projekt leiten? (Profil anfordern)
• Verwendet der Dienstleister Standardsysteme und branchenorientierte Bibliotheken? (Abhängigkeit von Individuallösungen vermeiden)
• Welche Vorgehensweise schlägt der Anbieter vor? (z. B. gemäß VDI-Richtlinie 3633)
• Wie wird die Know-How-Übertragung auf Sie sichergestellt?

Eine lohnende Investition für Ihr Unternehmen

Diese Tabelle zeigt die grundsätzliche Klassifizierung und die zu erwartenden Kosten auf:

Die Simulation unterstützt die Entscheidungsfindung in der Planung neuer und der Optimierung bestehender komplexer Prozesse, zeigt Wirkzusammenhänge auf und ermöglicht die objektive Gegenüberstellung von Lösungsalternativen.

Der monetäre Nutzen lässt sich jedoch im Vorfeld nicht genau beziffern. Kennzahlen wie die des VDI beziffern das Kosten-Nutzen-Verhältnis auf 1:6.

Simulation lohnt sich

In einigen Fällen, z. B. in der Planung investitionsintensiver Anlagen wie einem Karosseriebau in der Automobilindustrie, fällt das Kosten-Nutzen-Verhältnis noch viel deutlicher zugunsten der Simulation aus. Es kann aber auch vorkommen, dass die Simulation die Planung bestätigt und keine nennenswerten Verbesserungspotenziale ermittelt werden können.

Abb: Simulation einer Karosseriefertigung mit Plant Simulation 3D

Die Entscheidung über den Einsatz der Simulation sollte auf Basis folgender Kriterien vorgenommen werden:

• Kann eine Absicherung der Planung durch alternative, weniger aufwändige Methoden erfolgen?
• Wie hoch sind die Kosten im Verhältnis zur Investitionssumme? Als Richtwert ist hier ein Kostenanteil von bis zu 1% der relevanten Investitionssumme für die Simulation zu nennen.
• Was sind die erwarteten Optimierungspotenziale? Geht es z. B. um die Auslegung eines fahrerlosen Transportsystems, so kann bereits die Einsparung eines einzigen Fahrzeugs die Kosten für die Simulation decken.
• Wie hoch sind die Risiken des geplanten Systems? Müssen beispielsweise komplexe Auftragssteuerungen für eine Kommissionieranlage entwickelt werden, um einen wirtschaftlichen Betrieb sicherzustellen? Dann kann mit Hilfe der Simulation ein detailliertes Konzept erarbeitet und virtuell geprüft werden. Die Einspareffekte ergeben sich hierbei hauptsächlich aus dem kürzeren Zeitbedarf in der Umsetzung der Steuerung sowie der Inbetriebnahme und dem Anlauf der Anlage.

Organisatorische Voraussetzungen:

• Simulation im Idealfall vor der Realisierung
• klare Zieldefinition
• Team aus Planern und Simulanten auswählen
• Beschaffung aller notwendigen Eingangsdaten
• Zeitbedarf abschätzen und in den Projektumfang einkalkulieren:
  • Simulationsaufwand (von der Modellerstellung bis zur Lösung)
  • Aufwand für die betroffene Fachabteilung (fachliche Unterstützung und Lieferung der Daten für den Simulanten)
  • Aufwand für sonstige betroffene Bereiche (Bereitstellung von Informationen, die für die Simulation wichtig sind, z. B. technische Parameter einer Maschine)

Erfahrungsgemäß verteilt sich der Gesamtaufwand ungefähr folgendermaßen:

• Simulant 60%
• Fachabteilung 35%
• Sonstige, z. B. Lieferanten 5%

Betriebswirtschaftliche Voraussetzungen:

• Bestimmung der Kosten
• Abschätzung des Nutzens
• Budgetierung

Technische Voraussetzungen:

• Hard- und Softwarebasis klären
• Datenquellen und –aufbereitung bestimmen

Rahmenbedingungen:

• Offenheit für Alternativen erzeugen
• Sachzwänge in Frage stellen
• Akzeptanz der Simulationsergebnisse sicherstellen
• Gegebenenfalls Konsequenzen aus den Resultaten ziehen
• Richtige Teamzusammenstellung

Typischer Ablauf eines Simulationsprojektes:

Quelle: Rabe, M.; Spieckermann, S.; Wenzel, S.: Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 2008, S. 5

Die Formulierung von Zielen steht am Anfang einer jeden Simulationsstudie. Grundsätzliche Absicht bei der Erstellung einer neuen oder Änderung einer vorhandenen Anlage ist die Steigerung der Wirtschaftlichkeit eines Unternehmens.

Konkrete Ziele einer Simulationsstudie könnten z. B. sein:

• Steigerung der Maschinenauslastung
• Verringerung des Personalbedarfs
• Verringerung des Lagerplatzbedarfs
• höherer Durchsatz
• kürzere Durchlaufzeiten
• Bewertung von Layoutalternativen
• Bestimmung der Anzahl notwendiger Fahrzeuge innerhalb eines Fahrerlosen Transportsystems
• Bestimmung der notwendigen Puffergrößen
• Optimierung von Steuerungsstrategien

Wirtschaftlichkeitssteigerung mit Hilfe von Ablaufsimulation lt. [VDI 3633 (2010)]

Heutigen Simulationssoftwares liegen unterschiedliche Konzepte zugrunde. Sehr verbreitet ist das Baustein-Konzept. Dabei wird ein Simulationsmodell aus einzelnen Bausteinen zusammengesetzt. Jeder Baustein lässt sich folgendermaßen beschreiben:

Abb: Beschreibung der Bausteine eines Simulationssystems

Die einzelnen Bausteine und die Vorgänge innerhalb der Bausteine werden verbunden in einen Gesamtprozess. Dadurch entsteht ein Netzwerk. Mit Hilfe der Bausteine und des Netzwerkes können die verschiedensten logistischen Systeme abgebildet werden.

Mittels der 2D- oder 3D-Animation können alle Vorgänge innerhalb des Netzwerks visualisiert werden.

Mit der fortlaufenden Erweiterung des Anwendungsspektrums für die Ablaufsimulation ergibt sich eine Vielzahl an Perspektiven für Ihr Unternehmen.

Jüngste Beispiele sind der Einsatz der Ablaufsimulation zur Ermittlung des CO2-Fußabdrucks eines Unternehmens über die komplette Lieferkette, zur Optimierung des Energieverbrauchs in Produktionsprozessen oder zur Planung der Montage von Off-Shore-Windanlagen.

Die Entwicklung von Assistenzsystemen für die Ablaufsimulation zielt auf eine Erleichterung der Datensammlung und –aufbereitung sowie der Auswertung und Dokumentation von Experimenten. Erste Simulationssoftwarelösungen vermitteln einen Eindruck von der Steigerung der Effizienz in Simulationsprojekten sowie von der Erweiterung des Funktionsumfangs und der Integration in bestehende IT-Landschaften.

Das Assistenzsystem SimAssist

Um brauchbare Simulationsergebnisse zu erhalten, muss das Modell eine möglichst hohe Übereinstimmung mit den realen Prozessen aufweisen.

Diese Realitätstreue wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren bestimmt:

• Modellqualität (Detaillierungsgrad, Modellstruktur)
• Datenqualität

Die Wahl des richtigen Detaillierungsgrades sowie eine geeignete Modellstrukturierung verlangt Erfahrungen im Aufbau von Simulationsmodellen. Die Simulationssoftware kann die Modellierung diesbezüglich z. B. über die Bereitstellung von geeigneten Bausteinbibliotheken unterstützen.

Für die Daten gilt: Die Qualität der Eingangsdaten bestimmt die Genauigkeit der Ergebnisse. Die Simulationsdaten sollten deshalb mit größter Sorgfalt aufbereitet werden.

Besonderes Augenmerk verdient die Definition von Störgrößen (z. B. Ausfall von Maschinen) und stark schwankender Parameter (z. B. Nacharbeitszeiten).

Störungen und zufällige Einflussgrößen berücksichtigen

In der Simulation werden zur Abbildung zufälliger Einflüsse sogenannte Zufallsgeneratoren eingesetzt. Im Unterschied zu statischen Planungsverfahren, bei denen die Störgrößen oft über einen pauschalen Abschlag auf die Systemleistung und schwankende Prozessparameter über Mittelwerte berücksichtigt werden, liefert das Simulationsmodell ein Ergebnisintervall sowie ein genaueres Bild über die Auswirkungen von zufälligen Einflüssen.

Da die Simulation eine Querschnittsfunktion ist und mehrere Bereiche wie die Logistik- und Produktionsplanung sowie beispielsweise die Auftragssteuerung betreffen kann, wäre sie als Stabsstelle auf Werk- bzw. Geschäftsleitungsebene gut aufgehoben.

Es ist auch denkbar, sie in dem Bereich mit dem größten Simulationsbedarf zu positionieren. In vielen Unternehmen ist das der Bereich, der sich mit der Layout- bzw. Materialflussplanung beschäftigt.

Dabei sollte insbesondere berücksichtigt werden, dass der Simulationsexperte frühzeitig und eng in die relevanten Projekte eingebunden wird. Der schnelle Zugriff auf erforderliche Daten und direkte Informationsaustausch mit den Projektbeteiligten sichert eine effiziente Abwicklung von Simulationsstudien.