Fabrik

Computersimulation zur Planung, Analyse und Optimierung von Produktionsabläufen

Ziele

� Planung und Analyse von Produktionsabläufen � Kalkulation des Maschinenbedarfs � Kennenlernen und Optimieren der Logistik des

Materialflusses � Abschätzung der Produktionszeiten in Abhängigkeit

von der Konfiguration der Maschinen und ihrer Vernetzung

� Transparentmachung des Werdegangs eines technischen Systems

Unterrichtskonzept � Planung von Produktionsaufgaben in Kleingruppen � Simulation des Produktionsablaufs an Schüler-

Computerarbeitsplätzen � Optimierung der Logistik und erneute Simulation

Richtlinienbezug

Technik Sek. II für Gymnasium und Gesamtschule in NRW Rahmenrichtlinien 1999 Beispiel: Herstellung von Vergaserkraftstoff (Rahmenplan S. 21); Werdegang eines technischen Systems (Rahmenplan S. 14)

Betriebswirtschaftslehre in der Fachschule für Technik

� Betriebliche Organisationsstrukturen analysieren und optimieren : Ablauforganisationen

� Material und Produktionswirtschaftliche Entscheidungen treffen: Leistungserstellung

� außerdem für Informationstechnische Assistenten: PMS (Produktionsmanagementsysteme)

Weiter mit

Unterrichtsablauf

Fachtipps für LehrerInnen

Medien und Material

Arbeitsaufgaben

Loesungen

Briefkasten nuykenb@nwz.uni-muenster.de

Autor Volker Schneider, Rosenstraße 28, 49509 Recke V_Schneider@t-online.de

Unterrichtsablauf im Überblick

Zum Konzept

• Planung von Produktionsaufgaben in Kleingruppen

• Simulation des Produktionsablaufs an Schüler-Computerarbeitsplätzen

• Optimierung der Logistik und erneute Simulation

Organisation des Unterrichts

Der Unterrichtsablauf ergibt sich unmittelbar aus den Beispiel-Aufgaben. Der Lehrer kann Planung und Simulation an Hand eines Beispiels vorführen. Schüler und Lehrer können dann gemeinsam Vorschläge für Produktions-Aufgaben erarbeiten und die notwendigen Produktionsschritte und Materialien ("Rohstoffe") erörtern, bevor die Schüler selbst die Realisierung am Computer erarbeiten. Die vielfältigen Möglichkeiten des Programms lassen beliebige Änderungen und Erweiterungen zu.

Merkmale der Unterrichtseinheit

Die Arbeit mit dem Programm kann nach der oben geschilderten Einführung selbständig erfolgen. Dadurch ist auch eine Leistungsdifferenzierung möglich. Bitte eventuell ergänzen.

Anforderungen an die Arbeitsweise der Schüler

Das Arbeitsblatt enthält die Schrittfolge bei der Arbeit mit dem Programm. Bitte eventuell ergänzen.

Kontrollmöglichkeiten

Nach dem Bearbeiten der Aufgabenstellung mit dem Programm stellen die Schüler ihre Lösungen vor. In dieser Reflexionsphase werden die Lösungen verglichen und bewertet.

Bitte eventuell ergänzen.

Fachtipps

Aufgabe des Programms

� Computersimulation zur Planung, Analyse und Optimierung von Produktionsabläufen

� Einrichtung einer Fabrikhalle mit maximal 40 Maschinen, frei wählbaren Rohstoffen, Zwischen- und Endprodukten

Anwendungs-möglichkeiten

� Kalkulation des Maschinenbedarfs � Planung und Optimierung der Logistik des Materialflusses � Abschätzung der Produktionszeiten in Abhängigkeit von

der Konfiguration

Historie

Das Programm "Fabrik" habe ich auf Anfrage eines Berufsschullehrers im Rahmen eines Projekts mit Schülern eines Informatik-Kurses in der Jahrgangsstufe 12 des Fürstenberg-Gymnasiums in Recke entwickelt. Nach Fertigstellung wurde es in der Berufsschule mehrfach erprobt und gelobt. Verbesserungsvorschläge kamen natürlich auch und konnten teilweise bei der neusten Version berücksichtigt werden. die auf der Titelseite gesteckten Ziele lassen sich mit dem Programm problemlos verwirklichen.

Programm-Start

Das eigentliche Programm befindet sich im Ordner

Medien und Materialien als Datei Fabrik.exe und lässt sich unter Windows mit "Ausführen" oder durch Doppelklick auf die EXE-Datei starten (man sollte möglichst den Vollbild-Modus wählen). Nach dem Programmstart können aus dem Menü weitere

Erklärungen / Informationen abgerufen werden. Ebenso kann man mit der angebotenen Demo-Fabrikation gleich in die Autoproduktion einsteigen.

Wenn man sich mit diesen Informationen und der vertraut gemacht hat, kann man sich an die Neu-Konfiguration der Maschinen für einen einfachen, selbst gewählten Produktionsprozess machen.

Fabrik im Internet

Eine Download-fähige Version habe ich der Homepage unserer Schule zur Verfügung gestellt, wobei die Gestaltung der Fabrik-Seite von einem damals beteiligten Schüler gestaltet wurde. Dort finden Sie unter www.fuerstenberg-gymnasium-recke.de � Fachschaften � Naturwissenschaften � Informatik � Projekt Fabrikhalle auch die Internet-Version des Fabrik-Programms.

!-------------------------------------------------------------------! ! ! ! Fabrik-Programm 11.11.2001 ! ! =============== ! ! ! ! Volker Schneider ! ! eMail: V_Schneider@t-online.de ! ! ! !-------------------------------------------------------------------! Inhalt: ------- 1. Aufgabe des Programms 2. Anwendungs-möglichkeiten 3. Historie 4. Programm-Start 5. Beispiel "Bäckerei" mit ausführlicher Konfigurationsanleitung 5.1. Materialplanung 5.2. Konfiguration der Fabrik und der Maschinen 5.3. Produktion 7. Fabrik im Internet 1. Aufgabe des Programms: ------------------------- * Computersimulation zur Planung, Analyse und Optimierung von Produktionsabläufen * Einrichtung einer Fabrikhalle mit maximal 40 Maschinen, frei wählbaren Rohstoffen, Zwischen- und Endprodukten 2. Anwendungs-möglichkeiten: ---------------------------- * Kalkulation des Maschinenbedarfs * Planung und Optimierung der Logistik des Materialflusses * Abschätzung der Produktionszeiten in Abhängigkeit von der Konfiguration 3. Historie: ------------ Das Programm "Fabrik" habe ich auf Anfrage eines Berufsschullehrers im Rahmen eines Projekts mit Schülern eines Informatik-Kurses in der Jahrgangsstufe 12 des Fürstenberg-Gymnasiums in Recke entwickelt. Nach Fertigstellung wurde es in der Berufsschule mehrfach erprobt und gelobt. Verbesserungsvorschläge kamen natürlich auch und konnten teilweise bei der neusten Version berücksichtigt werden. 4. Programm-Start: ------------------ Das eigentliche Programm liegt als Datei Fabrik.exe vor und lässt sich unter Windows mit "Ausführen" oder durch Doppelklick auf die EXE-Datei starten. (Man sollte möglichst den Vollbild-Modus wählen). Nach dem Programmstart können aus dem Menü weitere Erklärungen / Informationen

abgerufen werden. Ebenso kann man mit der angebotenen Demo-Fabrikation gleich in die Autoproduktion einsteigen. Sie kann nach dem Eintreten in die Fabrikhalle mit "L" geladen werden. Die "Autoproduktion" ist ein Beispiel für komplexere Materialflüsse, an dem die Analyse und Optimierung exemplarisch durchgeführt werden kann. Auch das mitgelieferte Beispiel "Brotdemo" kann als Anregung für einfache Einstiegsaufgaben dienen. Wenn man sich mit diesen Informationen und der vertraut gemacht hat, kann man sich an die Neu-Konfiguration der Maschinen für einen einfachen, selbst gewählten Produktionsprozess machen. 5. Beispiel Bäckerei: --------------------- Aufgabe: Plane und simuliere die Produktion von Broten in einer Bäckerei. Lösung: 5.1. Materialplanung: Rohstoffbedarf : Mehl, Wasser, Hefe, Salz Maschinen : Rührwerk, Backofen Zwischenprodukt : Teig Endprodukt : Brot 5.2. Konfiguration der Fabrik und der Maschinen: Bildschirm-Eigenschaft der Fabrik-exe: "Vollbild" Fabrik-exe starten Im Hauptmenü wählen (Pfeiltasten): "In die Fabrikhalle..." Im unteren Zeilenmenü wählen (Buchstaben eintippen): K für "Konfiguration" Im unteren Zeilenmenü wählen (Buchstaben eintippen): R für "Rohstoffe" Rohstoffkanal wählen: "1"; Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Meh " für Mehl; Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 650 kg Mehl); Rohstoffkanal wählen: "2"; Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Was " für Wasser; Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 450 Liter Wasser); Rohstoffkanal wählen: "3"; Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Hef " für Hefe; Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 40 kg Hefe); Rohstoffkanal wählen: "4"; Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Sal" für Salz; Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 17 kg Salz); Rohstoffkanal "0" wählen für "Fertig" (Rohstoffe) Im unteren Zeilenmenü wählen: "M" für Maschinen-Konfiguration Im unteren Zeilenmenü wählen: "16" für Maschine Nr.16, die das Rührwerk darstellt. Anmerkung: Eine Maschine dieses Typs wird deshalb gewählt, weil hier 4 Stoffe hineinkommen und

1 Zwischenprodukt herauskommt. Ersten Eingangskanal (Ma.16 In.1) konfigurieren: "R" für Rohstoff eingeben, dann "1" für Rohstoff Nr. 1, also Mehl. "10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk. Zweiten Eingangskanal (Ma.16 In.2) konfigurieren: "R" für Rohstoff eingeben, dann "2" für Rohstoff Nr. 2, also Wasser. "10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk. Dritten Eingangskanal (Ma.16 In.3) konfigurieren: "R" für Rohstoff eingeben, dann "3" für Rohstoff Nr. 3, also Hefe. "10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk. Vierten Eingangskanal (Ma.16 In.4) konfigurieren: "R" für Rohstoff eingeben, dann "4" für Rohstoff Nr. 4, also Salz. "10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk. Bezeichnung für das Produkt (Output) der Maschine 16 festlegen: "Tei" für Teig. Produktionszeit der Maschine abschätzen, also Zeit für das Rühren: z.B. "50" Zeittakte. Backofen konfigurieren: Dazu eignet sich z.B. Maschine Nr. 21 (ebenso wie 1), weil 1 Teil hineinkommt (Teig-Klumpen) und 1 wieder heraus (Brot). Also Maschine Nr. 21 konfigurieren: Eingangskanal (Ma.21 In.1): Hier "16" eintragen, da der Teig aus der Maschine Nr. 16 kommt. (Bei Maschinen mit mehreren Qutput-Kanälen muss hier noch die Nummer des Output-Kanals angegeben werden.) Transport-Zeit vom Rührwerk zum Backofen eintragen, z.B. "5". Bezeichnung für das Produkt der Maschine 21 festlegen: "Bro" für Brot. Backzeit eingeben, also z.B. "150". Maschine Nr. "0" wählen, um Maschinen-Konfiguration abzuschließen. "E" wählen, um die Endprodukte zu definieren. Endprodukt-Kanal wählen: "1". Woher stammt dieses Endprodukt? Also Maschine Nr. "21" angeben, weil die Brote aus dem Backofen kommen. Transport-Zeit vom Backofen zum Auslieferungslager, z.B. "20" eintragen. Ziel-Stückzahl eingeben: "10" Endprodukt-Nr. "0" wählen, weil keine anderen Endprodukte hergestellt werden. "F" für Fertig wählen, denn nun ist die gesamte Fabrik fertig konfiguriert. "S" für speichern wählen, damit die gemachten Einstellungen gesichert werden; Dateiname "Brot" eingeben. Die soeben beschriebene Konfiguration wird auch als "Brotdemo" - Datei mitgeliefert. 5.3. Produktion: Nun kann die Produktion simuliert werden, also im unteren Zeilenmenü "P" für Produzieren wählen. Anschließend stellt man die Geschwindigkeit ein, zunächst am besten den Einzelschrittmudus, also "1".

So kann man durch Drücken der Leertaste jeweils einen Zeittakt weiterschalten und den Materialfluss beobachten. Die blau eingeblendeten Zeiten zählen rückwärts und zeigen so an, wie lange der jeweilige Vorgang noch dauert (Warten auf Material, bzw. Produzieren). Durch Drücken von "A" kann man den Einzelschrittmodus anhalten und z.B. auf Speed-Modus umschalten, um zu sehen was am Schluss erreicht wird. Nach dem Anhalten kann man aber auch "R" für Reset wählen, wodurch auf die Starteinstellungen für die Brotproduktion zurückgesetzt wird. Mit "N" für Neu wird die Fabrik vollständig wieder geräumt. Gut, dass man mit "L" für Laden seine mühevoll erstellte Konfiguration wieder abrufen kann, wenn man sie vorher gespeichert hat. "F" steht für Feierabend und führt zum Hauptmenu zurück. Alle weiteren Möglichkeiten und Optionen probiert man am besten selbst aus. 6. Fabrik im Internet: ---------------------- Eine Download-fähige Version habe ich der Homepage unserer Schule zur Verfügung gestellt, wobei die Gestaltung der Fabrik-Seite von einem damals beteiligten Schüler gestaltet wurde. Dort finden Sie unter www.fuerstenberg-gymnasium-recke.de --> Fachschaften --> Naturwissenschaften --> Informatik --> Projekt Fabrikhalle auch die Internet-Version des Fabrik-Programms. ------------------------------------ ENDE ---------------------------------

Fabrik-Programm Volker Schneider, Recke

Auch das mitgelieferte Beispiel "Brotdemo" kann als Anregung für einfache Einstiegsaufgaben dienen.

Die Demo-Version "Autoproduktion" ist ein Beispiel für komplexere Materialflüsse, an dem die Analyse und Optimierung exemplarisch durchgeführt werden kann.

Arbeitsblätter

Beispiel-Aufgaben:

1.) Starte das Programm, lies die Gebrauchsanweisung, und mache dich mit der Menu-Struktur des Programms vertraut.

2.) Lade die Demo-Version einer Autoproduktion und verfolge im Einzelschritt-Modus den Materialfluss von den Rohstoffen bis zum Fertigprodukt.

3.) Lass die Produktion mit maximaler Geschwindigkeit ablaufen und betrachte das Ergebnis.

4.)

Starte die Autoproduktion erneut, diesmal mit mittlerer Geschwindigkeit und versuche herauszufinden, wo und wann Maschinen in Wartestellung sind, weil die Zwischenprodukte noch nicht eingetroffen sind; notiere genau Maschinen-Nummer und fehlendes Zwischenprodukt.

5.) Fertige mit Hilfe der Start-Konfiguration ein Materialfluss-Diagramm an und markiere farbig die in Aufgabe 4 festgestellten Engpässe.

6.) Versuche die Produktionsablauf zu optimieren, z.B. durch einen veränderten Materialfluss oder den Einsatz weiterer Maschinen.

7.) Plane selbst den Produktionsablauf für ein anderes Produkt, z.B. ein Fahrrad oder eine Waschmaschine.

8.) Analysiere und optimiere die selbst geplante Produktion.

Fabrik-Programm - Lösungen Volker Schneider, Recke

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Lösungen

A. Beispiel-Aufgabe als Einstiegshilfe:

Plane und simuliere die Produktion von Broten in einer Bäckerei.

Lösung:

1. Materialplanung:

Rohstoffbedarf: Mehl, Wasser, Hefe, Salz

Maschinen: Rührwerk, Backofen

Zwischenprodukt: Teig

Endprodukt: Brot

2. Konfiguration der Fabrik und der Maschinen:

Bildschirm-Eigenschaft der Fabrik-exe: "Vollbild"

Fabrik-exe starten

Im Hauptmenü wählen (Pfeiltasten): "In die Fabrikhalle..."

Im unteren Zeilenmenü wählen (Buchstaben eintippen): K für "Konfiguration"

Im unteren Zeilenmenü wählen (Buchstaben eintippen): R für "Rohstoffe"

Rohstoffkanal wählen: "1"

Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Meh " für Mehl;

Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 650 kg Mehl);

Rohstoffkanal wählen: "2"

Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Was " für Wasser;

Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 450 Liter Wasser);

Rohstoffkanal wählen: "3"

Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Hef " für Hefe;

Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 40 kg Hefe);

Rohstoffkanal wählen: "4"

Rohstoffkanal konfigurieren: Bezeichnung: "Sal" für Salz;

Anzahl: "1000" für 1000 Brote (z.B. 17 kg Salz);

Rohstoffkanal "0" wählen für "Fertig" (Rohstoffe)

Im unteren Zeilenmenü wählen: "M" für Maschine-Konfiguration

Im unteren Zeilenmenü wählen: "16" für Maschine Nr.16, die das Rührwerk darstellt.

Anmerkung: Eine Maschine dieses Typs wird deshalb gewählt, weil hier

4 Stoffe hineinkommen und

1 Zwischenprodukt herauskommt.

Ersten Eingangskanal (Ma.16 In.1) konfigurieren:

"R" für Rohstoff eingeben, dann "1" für Rohstoff Nr. 1, also Mehl.

"10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk.

Zweiten Eingangskanal (Ma.16 In.2) konfigurieren:

"R" für Rohstoff eingeben, dann "2" für Rohstoff Nr. 2, also Wasser.

"10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk.

Dritten Eingangskanal (Ma.16 In.3) konfigurieren:

"R" für Rohstoff eingeben, dann "3" für Rohstoff Nr. 3, also Hefe.

"10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk.

Vierten Eingangskanal (Ma.16 In.4) konfigurieren:

"R" für Rohstoff eingeben, dann "4" für Rohstoff Nr. 4, also Salz.

"10" eingeben für die Transportzeit vom Rohstoff-Lager zum Rührwerk.

Bezeichnung für das Produkt (Output) der Maschine 16 festlegen: "Tei" für Teig.

Produktionszeit der Maschine abschätzen, also Zeit für das Rühren: z.B. "50" Zeittakte.

Backofen konfigurieren: Dazu eignet sich z.B. Maschine Nr. 21 (ebenso wie 1), weil

1 Teil hineinkommt (Teig-Klumpen) und

1 wieder heraus (Brot).

Also Maschine Nr. 21 konfigurieren:

Eingangskanal (Ma.21 In.1): Hier "16" eintragen, da der Teig aus der Maschine Nr. 16 kommt.

(Bei Maschinen mit mehreren Qutput-Kanälen muss hier noch die Nummer des Output-

Kanals angegeben werden.)

Transport-Zeit vom Rührwerk zum Backofen eintragen, z.B. "5".

Bezeichnung für das Produkt der Maschine 21 festlegen: "Bro" für Brot.

Backzeit eingeben, also z.B. "150".

Maschine Nr. "0" wählen, um Maschinen-Konfiguration abzuschließen.

"E" wählen, um die Endprodukte zu definieren.

Endprodukt-Kanal wählen: "1".

Woher stammt dieses Endprodukt? Also Maschine Nr. "21" angeben, weil die Brote aus dem Backofen kommen.

Transport-Zeit vom Backofen zum Auslieferungslager, z.B. "20" eintragen.

Ziel-Stückzahl eingeben: "10"

Endprodukt-Nr. "0" wählen, weil keine anderen Endprodukte hergestellt werden.

"F" für Fertig wählen, denn nun ist die gesamte Fabrik fertig konfiguriert.

"S" für speichern wählen, damit die gemachten Einstellungen gesichert werden; Dateiname "Brot" eingeben.

Die soeben beschriebene Konfiguration wird auch als "Brotdemo" - Datei mitgeliefert.

3. Produktion:

Nun kann die Produktion simuliert werden, also im unteren Zeilenmenü

"P" für Produzieren wählen.

Anschließend stellt man die Geschwindigkeit ein, zunächst am besten den Einzelschrittmodus,

also "1". So kann man durch Drücken der Leertaste jeweils einen Zeittakt weiterschalten, und den Materialfluss beobachten. Die blau eingeblendeten Zeiten zählen rückwärts und zeigen so an, wie lange der jeweilige Vorgang noch dauert (Warten auf Material, bzw. Produzieren).

Durch Drücken von "A" kann man den Einzelschrittmodus anhalten und z.B. auf Speed-Modus umschalten, um zu sehen was am Schluss erreicht wird. Nach dem Anhalten kann man aber auch "R" für Reset wählen, wodurch auf die Starteinstellungen für die Brotproduktion zurückgesetzt wird. Mit "N" für Neu wird die Fabrik vollständig wieder geräumt. Gut, dass man mit "L" für Laden seine mühevoll erstellte Konfiguration wieder abrufen kann, wenn man sie vorher gespeichert hat. "F" steht für Feierabend und führt zum Hauptmenu zurück.

Alle weiteren Möglichkeiten und Optionen probiert man am besten selbst aus.

B. Demo-Version "Autoproduktion":

Die Demo-Version "Autoproduktion" dient als ein Beispiel für komplexere Materialflüsse, bei denen auch Analyse und Optimierung erprobt werden können. Sie kann nach dem Eintreten in die Fabrikhalle mit "L" geladen werden.

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