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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwurf einer Fabrik.
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Grundlegendes
Problem ist eine Abschätzung
von Fabrikparametern während
einer Grobplanungsphase einer Fabrik mit wenig automatisierter Fertigung.
Prinzipiell werden diese Fabrikparameter in der Regel dominiert
durch den verwendeten Maschinenpark, und zwar Fertigungs- sowie
Transport- oder Logistikmaschinen, benötigte Gebäude, Fundamente und Stellflächen. Die
Grobplanungsphase einer Fabrik beinhaltet typischerweise die Festlegung
eines möglichen
Fertigungsspektrums, d. h. welche Teile oder Komponenten werden
gefertigt bzw. können
gefertigt werden, die Erstellung von Layouts und die Festlegung
des für
das zugrunde liegende Produktionsprogramm benötigten Maschinenparks. Layouts
sind beispielsweise Block-Layouts und umfassen grobe Hallenpläne und grobe
Fertigungsabläufe.
Ist das Produktionsspektrum der Fabrik verhältnismäßig groß, d. h. viele zum Teil sehr
unterschiedliche Produkte müssen
gefertigt werden, die sich aber in gewissen Punkten ähneln, und
sind die Produktionsabläufe
wenig automatisiert und verhältnismäßig flexibel,
so ist zur Unterstützung
der Planungsphase ein Verfahren notwendig, was es auch großen Planungsteams
erlaubt, fabrikübergreifende
Synergiepotentiale verschiedener Fertigungsabläufe zu erkennen und in der
Maschinen- sowie Gebäude-
und Logistikplanung umzusetzen. Zusätzlich gilt es, Änderungen
in den Planungsprämissen,
und zwar Produktionsprogramm und -spektrum global zu verwalten und
in eine Planung einzuarbeiten.
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Es
soll eine maximale Automatisierung eines Planungsprozesses für Fabriken
mit wenig automatisierter Fertigung bereitgestellt werden. Es soll
ein globaler sicherer und einheitlicher Zugriff auf die Planungsmessdaten
möglich
werden, und zwar ohne die Gefahr von Datendopplungen, Datenverlust
oder Uneinheitlichkeit.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Planung einer Fabrik
und/oder einer Produktion bereit zu stellen. Es sollen insbesondere
viele zum Teil sehr unterschiedliche Produkte, die sich aber in
gewissen Punkten ähneln,
in der Fabrik herstellbar sein. Die Fabrik soll insbesondere einen
hohen Grad an Flexibilität und
einen geringen Grad an automatisierter Fertigung aufweisen. D. h.
maximal 50% der Fertigungsabläufe sollen
automatisiert sein. Es sollen insbesondere der verwendete Maschinenpark,
benötigte
Gebäude,
Fundamente und Stellflächen
bestimmt werden. Es soll ein Synergiepotential zwischen einzelnen
Produkten erkennbar und eine fabrikübergreifende Kapazitätsplanung
ermöglicht
werden. Es soll ein globaler, sicherer und einheitlicher Zugriff
auf Planungsmessdaten möglich
sein, wobei Datendopplungen, Datenverlust oder Uneinheitlichkeiten
vermieden werden sollen.
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Ein
Maschinenpark umfasst beispielsweise Fertigungs- sowie Transport-
beziehungsweise Logistik-Maschinen.
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Produktionsprogramm
ist die Anzahl der erwünschten
Produkte pro Jahr.
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Kapazitätsplanung
ist die Planung der Auslastung einer Fabrik oder einer Maschine.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch, ein Computerprogrammprodukt gemäß dem Nebenanspruch
und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch
gelöst.
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Grundlage
ist ein Messdatenspeicher und eine Messdatenverarbeitungseinrichtung.
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Gemäß einem
ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Entwurf einer Fabrik beansprucht
mit den Schritten:
Eingeben von Planungsmessdaten in einen
Messdatenspeicher;
Verknüpfen
von Planungsmessdaten in einer Messdatenverarbeitungseinrichtung
mittels mindestens eines Algorithmus zum Festlegen von Fabrikparametern.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung können
Planungsmessdaten technische Angaben zu fertigender Teil oder Produkte
und/oder technische Beschreibungen von Fertigungsabläufen sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die technischen Beschreibungen
von existierenden und zukünftigen
Fertigungsabläufen
sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Fabrikparameter technische
Angaben zu Fundamenten, Gebäuden,
Maschinenpark und/oder Maschinenstellflächen sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Identifizieren von
Optimierungspotentialen einzelner zu fertigender Teile oder Fertigungsabläufe und
der Fabrik mittels des Algorithmus ausgeführt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Identifizieren von
Synergiepotentialen von einzelnen zu fertigenden Teilen oder Fertigungsabläufen und
bei Entwurf einer Vielzahl von Fabriken zwischen einzelnen Fabriken
mittels des Algorithmus ausgeführt
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Erstellen einer fabrikübergreifenden
Kapazitätsplanung
bei Entwurf einer Vielzahl von Fabriken mittels des Algorithmus
ausgeführt
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Erzeugen von Produktionsszenarien
in Abhängigkeit
von den Planungsmessdaten ausgeführt
werden. D. h. das Verfahren unterstützt Planungsteams bei einer
Erzeugung von Produktionsszenarien. Planungsergebnisse werden dynamisch
in Abhängigkeit
von kritischen Produktionsentscheidungen erneut berechnet und in
geeigneter Weise dargestellt. Kritische Produktionsentscheidungen
sind beispielsweise, welche Teile gekauft werden, wo welches Teil
produziert wird, welche Maschinen werden gemeinsam verwendet und
dergleichen. Eine Darstellung kann in Berichten oder Graphen erfolgen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Erkennen von zu erwartenden
Inkonsistenzen von den Planungsmessdaten ausgeführt werden. D. h. das Verfahren
zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus, d. h. zu erwartende
Inkonsistenzen in den Planungsmessdaten werden erkannt und so gelöst.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Datenaustauschen unter
einem Planungspersonal ausgeführt
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine intelligente Planungspersonalkontrolle ausgeführt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein zentrales Verwalten
der Planungsmessdaten und Fabrikparameter ausgeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit den Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Ausführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 zeigt
einen oberen Block von Eingabeinformationen, einen unteren Block
von Ausgabeinformationen sowie einen mittleren Block einer Verarbeitung
der Datenbasis. Der Eingabeblock weist das Bezugszeichen I auf,
der Datenbasisblock das Bezugszeichen II und der Ausgabeblock
das Bezugszeichen III. In dem Eingabeblock I sind
Planungsmessdaten dargestellt. Bezugszeichen 1 kennzeichnet
technische Angaben zu fertigender Teile oder Produkte. Dieser Block 1 umfasst
Komponenten, Mengen, Dimensionierungen und Gewichte. Weitere Angaben
sind zusätzlich möglich. Block 3 kennzeichnet
das Produktionsprogramm. Block 5 kennzeichnet technische
Beschreibungen bereits existierender Fertigungsabläufe. Block 7 kennzeichnet
technische Beschreibungen von zukünftigen idealisierten Fertigungsabläufen. Angaben
zu den technischen Beschreibungen zu Fertigungsabläufen können Angaben
zu Maschinen, Verfahren, Zeiten, Logistikinformationen und dergleichen
sein. Block II kennzeichnet die Verarbeitung der zugrundeliegenden
Datenbasis. Bezugszeichen 9 kennzeichnet ein Produkt und ein
Produktionsprogramm. Bezugszeichen 11 kennzeichnet Fertigungsabläufe. Es
erfolgt ein Datenaustausch hinsichtlich Maschinen 13, hinsichtlich
der Logistik 15 und hinsichtlich Gebäuden 17. Mittels Algorithmen
wird die Datenbasis II in Ausgabegrößen umgewandelt.
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Ausgabegrößen sind
Synergiepotentiale 19a und Produktionsszenarien 19b.
Weitere Ausgabegrößen sind
technische Angaben zu Fundamenten, Gebäuden, Maschinenpark und/oder
Maschinenstellflächen 21. Diese
Angaben umfassen ebenso Logistikangaben. Ein weiterer Aspekt von
Block 21 ist eine Kapazitätsplanung. Informationen in
den Blöcken 19 und 21 werden
mittels weiterer Algorithmen in weitere Ausgabegrößen umgewandelt.
Auf diese Weise ist es möglich,
einen idealen Produktionsprozess bzw. Fertigungsablauf zu definieren.
Dieser ideale Fertigungsablauf ist mit Block 23 dargestellt.
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Des
Weiteren werden Beispiele für
Algorithmen beschrieben.
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Eine
Kapazitätsberechnung
wird ausgeführt,
indem die Anzahl von Maschinen in einer bestimmten Maschinengruppe
V berechnet wird. Dies wird ausgeführt unter Verwendung der folgenden
Gleichung:
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Dabei
ist das Produktionsprogramm die Anzahl P der gewünschten Produkte pro Jahr.
G ist die Anzahl der Maschinengruppen und g ist ∊ {1, ...,
G}. Es seien V Maschinen in jeder Gruppe, d. h. V = V (g). Es gibt eine
Gesamtheit verschiedener Fertigungsabläufe, wobei K die Anzahl der
verschiedenen Fertigungsabläufe bezeichnet
und k ∊ {1, ..., K} ist. Es sei Q(k) die Menge von Komponenten,
die in einem Prozess k erzeugt wird. Des Weiteren ist die Maschinenzeit
M(g, k) in Stunden angegeben. S ist die Anzahl der Arbeitsschichten
pro Tag mit einer Dauer von s in Stunden. WD ist die Anzahl der
Arbeitstage im Jahr.
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Für sogenannte
Fertigungs- oder Kaufentscheidungen wird folgende Vorgehensweise
angewendet. Im Falle einer Entscheidung, eine Komponente wird anstelle
einer Eigenherstellung gekauft, so werden die Maschinenzeiten M(g,
k) für
alle für
die Fertigung dieser Komponente notwendigen Verfahrensschritte auf
null gesetzt.
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Beispiel für Algorithmen zur Ermittlung
von Synergiepotentialen.
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Es
wird angenommen, dass eine Kapazitätsberechnung nicht für die gesamte
Fabrik, sondern für
jedes Produkt getrennt, ausgeführt
wird. D. h. V(g) = V(g, j), wobei j ein Index zur Identifizierung
eines Produktes ist. Beispielsweise für j = 1 ist das Produkt eine
Gasturbine. Es wird eine Anzahl J von Produkten angenommen. Fertigungsabläufe werden
nun einem Pro dukt zugeordnet, d. h. k = k(J). Eine produktspezifische
Kapazitätsberechnung
ergibt sich mit folgender Formel:
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Teilespezifizierungen
werden in Metern, hinsichtlich Länge,
Breite und Höhe,
und Kilogramm hinsichtlich des Gewichts, angegeben. Jeder Fertigungsablauf
weist ein Teil auf, das in dem Fertigungsablauf bearbeitet wird.
Beispielsweise sei eine Länge
(k) die Länge
des Teils, das in dem Prozess k gefertigt wird. Das Gleiche gilt
für Breite,
Gewicht und dergleichen. Jede Referenzmaschine weist eine Liste
von Spezifikationen einschließlich
Teilegröße auf,
die bearbeitet werden können.
Die Spezifikationen für
die Maschinen oder Maschinengruppen weisen ebenso Informationen
auf, wie z. B. den Abschnitt, in dem die Maschine positioniert wird. Dies
sind Angaben zum Ort in der Fabrik oder Angaben, in welchen der
mehreren Herstellungsorten sich die Maschine befindet. Es können ebenso
andere spezielle Spezifikationen gegeben sein, wie z. B. ”diese Maschine
sollte dort positioniert werden, wo ein Zugriff auf ein bestimmtes
Rohrleitungssystem oder spezielle Abflüsse gegeben ist”. Diese
Spezifikationen werden in das System in einer einheitlichen Weise
eingegeben. In seiner Gesamtheit nennen wird SPEC(g, j) den Satz
von Spezifikationen von einer Maschinengruppe für ein Produkt.
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Es
bieten sich folgende zwei Grundalgorithmen an: Basis-Zwischen-Gruppen-Synergie-Algorithmus:
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H
ist eine Funktion, die bestimmt, ob zwei Sätze von Spezifikationen zusammenwirken.
Wie H bestimmte Parameter gewichtet hängt von der Anwendung ab: H
stellt einen Weg bereit, optimale Synergien abhängig von der bestimmten Anwendung
und projektspezifischen Randbedingungen zu finden. Die Ausgabe ist dann
positiv und der Grad einer Konkordanz kann durch die sich ergebende
Zahl gemessen werden. Falls kein numerischer Wert berechnet werden
kann, und zwar da die Spezifikationen zu ”weich” sind, so ist das Ergebnis +1
oder –1.
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Mit
einem nächsten
Schritt werden Zwischen-Fertigungsabläufe-Synergien ermittelt:
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Z
ist eine Funktion, die bestimmt, ob ein bestimmter Fertigungsablauf
ebenso von einer anderen Maschinengruppe ausgeführt werden kann. Dazu wird
mittels der Funktion Z die Spe zifikation eines Fertigungsablaufs
oder eines herzustellenden Teiles, mit den Spezifikationen einer
Maschinengruppe verglichen. Das Ergebnis ist ein numerischer Wert,
da die einbezogenen Werte Länge,
Breite usw. d. h. metrische Werte sind. Die Funktionszuordnung g(j)
zum Fertigungsablauf verändert
die Maschinengruppe, der ein Fertigungsablauf zugeordnet ist, zu
einem anderen Wert.
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Die
Funktion ”Speicherkonfiguration” speichert
die neuen Produkt-, Prozess- und Maschinendaten in einer getrennten
Datenbasis, damit sichergestellt ist, dass alle Veränderungen
zurückverfolgt
und verglichen werden können.
Als nächster
Schritt wird der Basis-Zwischen-Gruppen-Synergie-Algorithmus unter
Verwendung der neuen Datenbasis angewendet.
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Vorhandene Maschinen
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Wie
es bereits vorstehend ausgeführt
wurde, ist es möglich,
dass bestimmte Maschinen bereits vorhanden sind. Angenommen es liegt
eine Liste von vorhandenen Maschinen (k = 1 to K) vor mit Spezifikationen für neue Maschinen
einschließlich
Aufwand (hier der Aufwand die Maschine zu transportieren). Es ist
sehr wichtig die neue Fabrik derart zu planen, dass so wenig Maschinen
wie möglich
zu transportieren sind, da dies den Aufwand verringert. Der folgende
Algorithmus findet eine optimale Konfiguration der neuen Fabrik
hinsichtlich Aufwand:
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Die
Funktion F ist grundsätzlich
die gleiche wie die vorstehende Funktion H. Jedoch kann bei bestimmten
Anwendungen F von H in der Weise, wie bestimmte Spezifikationen
gewichtet sind, abweichen. Beispielsweise F würde die Betonung auf die Abteilung
legen (eine vorhandene Maschine würde definitiv in derselben Abteilung
sein müssen).
H legt eine größere Betonung
auf Dimensionierungen von Bestandteilen. Falls beispielsweise Abteilungen
von vorhandenen Maschinen und eine bestimmte Gruppe nicht zusammenpassen, wird
F wahrscheinlich auf –1
zurückspringen,
zur Anzeige, dass diese Maschine nicht in diese bestimmte Gruppe
integriert werden kann. Das Gleiche ergibt sich, falls Teiledimensionierungen
nicht übereinstimmen.
Falls jedoch Abteilungen und Dimensionierungen zusammen passen,
springt F auf einen positiven Wert und die Größe dieses Werts hängt von „sanfteren” Kriterien
ab, die anzeigen, ob die Maschine in die Gruppe passen würde (wie
Wasseranschlüsse,
Stromversorgungsanschlüsse
usw.). Jedoch gilt der Grundsatz, dass F einen Weg bereitstellt,
eine optimale Verteilung von vorhandenen Maschinen in die Maschinengruppen
abhängig
von der projektspezifischen Anwendung und Randbedingungen zu finden.
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Einkaufszeiten und Bestellmanagement
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Wenn
eine Liste von zu kaufenden oder zu transportierenden Maschinen
erzeugt wurde, können
die Einkaufszeiten und die Maschinenlieferanten, die Teil der Spezifikationen
jeder Maschine sind, verwendet werden, um eine Bestellmanagementaufstellung
zu erzeugen und automatisch Maschinen und Ausrüstung zu bestellen, damit dem
geforderten Zeitplan (der Zeitplan legt fest, wann die Produktion
welches Produkts beginnt) entsprochen wird. Diese Schritte können getrennt
für jedes
Produkt und für
jedes Bestandteil ausgeführt
werden, so dass beispielsweise nicht alle Maschinen auf einmal bestellt
werden müssen.
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Unter
Verwendung der vorstehenden Algorithmen führen Veränderungen in dem Fertigungsablauf oder
von Produktspezifikationen oder von dem Produktionsprogramm zu neuen
Produktionsszenerien.
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Für jedes
Produktionsszenario können
Szenarioparameter definiert werden. Auf diese Weise können verschiedene
Szenerien verglichen werden. Ein möglicher Szenarioparameter ist
beispielsweise die Produktivität.
Auf diese Weise kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend weitergeführt werden,
dass zusätzlich
betriebswirtschaftliche Größen erfasst
bzw. berechnet werden. Beispielsweise ist eine Produktivität durch
folgende Formel ermittelbar:
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Für eine optionale
betriebswirtschaftliche Weiterführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
werden folgende Größen eingeführt:
Maschinenkosten
C(g) als Kosten einer Referenzmaschine für eine Maschinengruppe in Euro.
Nachrüstkosten RC(i)
sind Kosten zur Modernisierung einer vorhandenen Maschine i. Gewöhnlich sind
Nachrüstkosten
RC < Maschinenkosten
C(g). Eine Einkaufszeit T(g) für
die Referenzmaschine in einer bestimmten Maschinengruppe g ist in
Monaten angegeben. Die gesamten Investitionskosten IC(g) für eine Maschinengruppe
werden mit folgender Formel berechnet:
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Diese
Formel gilt nur falls alle Maschinen innerhalb der Maschinengruppe
nicht vorhanden sind und gekauft werden müssen. Es seien w(g) Maschinen
in einer Gruppe, die schon vorhanden sind und mit l indiziert sind.
Dann verändert
sich die Formel in
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Die
gesamten Investitionskosten über
alle Gruppen sind:
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Logistikausrüstung wird
auf dieselbe Weise bewertet. Die Formeln verändern sich nur leicht.
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Eine
weitere Bewertung kann für
Gebäudeinvestitionen
erfolgen.
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Es
sei F(g) die Fundamentkosten pro m2 für eine bestimmte
Maschinengruppe. Herkömmlicherweise f
wird mittels der folgenden Formel berechnet: f(g) = F·t(g) (9)wobei F ein
Grundpreis für
einen Quadratmeter und t(g) ein Multiplikationsfaktor für jede Maschinengruppe
ist. Beispielsweise steht 1 für
ein leichtes Fundament, 2 für
ein mittelleichtes Fundament, ... und 10 für ein sehr schweres Fundament.
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Des
Weiteren wird die Grundfläche
der Referenzmaschine für
jede Gruppe durch FP(g) bezeichnet. Zusätzliche benötigte Flächen für einen bestimmten Fertigungsablauf
werden mit A(k) gekennzeichnet.
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Beruhend
auf der Kapazitätsberechnung
können
die gesamten Gebäudekosten
durch die folgende Formel berechnet werden:
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Auf
diese Weise ist eine betriebswirtschaftliche Bewertung der Produktionsszenarien
möglich.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
kann auch ohne eine betriebswirtschaftliche Bewertung ausgeführt werden.
Eine betriebswirtschaftliche Bewertung ist lediglich optional und
nicht zwingend. Eine betriebswirtschaftliche Bewertung kann also
zusätzlich
vorgenommen werden.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zum Ausführen
eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Über eine
Benutzerzugriffssteuerung erfolgt eine Dateneingabe von Dateneingabespezialisten 25 und der
Informationsaustausch zwischen der Vorrichtung und Analysten 27.
Der Austausch erfolgt mit einer sog. Workstation. Es werden Produktionsszenarien
erzeugt und ausgearbeitet, sowie Daten angezeigt. Eine weitere Funktion
ist die Eingabe und das Ändern
von Daten. Die Workstation ist mit dem Bezugszeichen 29 gekennzeichnet.
Eine Benutzerzugriffssteuerung ist mit Bezugszeichen 28 gekennzeichnet.
Zwischen der Workstation 29 und einem Server 33 erfolgt über eine
Internetverbindung 31 ein Datenaustausch. In dem Server 33 kann die
Gesamtheit der Planungsmessdaten abgespeichert sein. Planungsmessdaten
sind Angaben zu existierenden und idealen Fertigungsabläufen und
dergleichen. Der Server 33 wird von einem Systemadministrator 35 bedient.
