Simulation

Einführung

Der Einsatz von dynamischer Simulation, im Gegensatz zu statischen Berechnungen (klassische Tabellenkalkulation), rechtfertigt sich ab einer bestimmten Komplexität der Systeme. Diese kann sich z. B. aus der Systemgröße, der Verkettung automatisierter Prozesse, dem Zusammenspiel Mensch–Maschine, der Schwankungsbreite von Prozessen oder der Anzahl unterschiedlicher Produkte und Artikel ergeben. Eine dynamische Simulation zeigt die zeitliche Interaktion von Systemen und kann gleichzeitig stochastische Einflüsse einbeziehen. Damit ergibt sich ein deutlich genaueres Bild des Anlagenverhaltens als mit einer statischen Materialflussberechnung. Bestimmte, zeitabhängige Kennzahlen sind nur mit dynamischen Simulationen zu ermitteln. Darüber hinaus können mit Simulationsmodellen große Datenmengen (z. B. Stammdaten, Auftragsdaten) verrechnet werden. Die Animation der Materialflüsse und Bewegungen in Verbindung mit der grafischen Darstellung von Ergebnissen hilft, das Anlagenverhalten schnell verstehen und kommunizieren zu können.

Die VDI Richtlinie 3633 behandelt das Thema Materialflusssimulation. Simulation wird dort grundsätzlich wie folgt definiert:

„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.“


Vereinfacht heißt simulieren:

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

Typische Phasen

  1. Definition der Fragestellungen und Zielsetzungen: Daraus leiten sich bereits der Abbildungsbereich und die Abbildungsdetaillierung ab
  2. Prozessanalyse und Datensammlung
  3. Modellbeschreibung: Diese dokumentiert Fragestellungen und Zielsetzungen, Abbildungsbereich, zu
  4. modellierende Prozesse, Input Daten, Experimente, Auswertungen etc. und dient dem Simulationsexperten als Vorlage für die Modellerstellung
  5. Modellerstellung
  6. Modellvalidierung: In dieser Phase wird sichergestellt, dass das Simulationsmodell die Realität hinreichend genau abbildet
  7. Simulationsexperimente zur Analyse des Systemverhaltens
  8. Dokumentation

Eine generelle Herausforderung ist es die Erkenntnisse aus der Simulation in die Realisierung zu übernehmen. Hürden sind hierbei z. B.

  •  Simulation und Realisierung laufen in getrennten Abteilungen mit schlechter Vernetzung
  •  Die Dokumentation ist unzureichend, unpassend oder unverständlich
  •  Prämissen haben sich geändert, Anlage wird z. B. in einer geänderten Konfiguration realisiert als geplant
  •  Mangelndes Interesse der Realisierer an der Simulation
 

Grenzen der Simulation

Eine Simulation arbeitet nach dem GIGO-Prinzip (Garbage in / Garbage out), d. h. je genauer die Eingangsdaten, umso genauer sind auch die Ergebnisse.

Der Nutzen von Simulation


Der finanzielle Nutzen einer Simulation lässt sich im Vorfeld nur schwer abschätzen, da das Optimierungspotenzial und eventuelle Planungsfehler erst nach einer Simulationsstudie bekannt sind. Eine Simulation ist eine Art Versicherung, die sich bei Planungsfehlern oder aufgedeckten Optimierungspotenzialen durch Kosteneinsparung oder höheren Nutzungsgrad des untersuchten Systems amortisiert.

Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) beziffert in der Richtlinie 3633 den Aufwand der Simulation mit 0,5-1% und den Nutzen mit 2 bis 4% der relevanten Investitionssumme. Das Kosten/Nutzen-Verhältnis liegt zwischen 1:6 und 1:10.

Diese Angaben resultieren aus den Erfahrungen, die in repräsentativen Simulationsstudien gesammelt wurden. In vielen Fällen war der Nutzen der Simulation um ein Vielfaches höher. Ein Kosten-/Nutzenverhältnis von 1:10 bis 1:100 ist bei sehr teuren Systemelementen wie z.B. fahrerlosen Transportfahrzeugen nicht selten. In Einzelfällen kann es aber auch sein, dass der Nutzen einer Simulationsstudie die Kosten nicht aufwiegt. Das vom VDI angegebene Kosten/Nutzen-Verhältnis sollte deshalb eher als "Faustregel" betrachtet werden.