Simulation eines automatischen Brückenkran-Lagersystems (KraS/RS) mit mehreren Kränen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine simulationsbasierte Leistungsanalyse eines neuartigen automatischen Brückenkran-Lagersystems für Gitterboxen (KrasS) unter variierenden Betriebsbedingungen durchgeführt. Dieses System, das auf der gezielten Nachrüstung von Standard-Brückenkränen basiert, verspricht Vorteile wie eine flexible und platzsparende Lagerorganisation. Jedoch besteht eine wesentliche Forschungslücke hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit unter realistischen Betriebsbedingungen. Das primäre Ziel der Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen, indem die Umschlagleistung in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangsgrößen (z.B. Krananzahl, Lagerlayout, Füllgrad) bewertet und Empfehlungen für die Planung und Realisierung abgeleitet werden. Der theoretische Teil schuf hierfür eine umfassende Grundlage in den Bereichen Materialflusssimulation, Lager- sowie Fördertechnik und zum Brückenkran. Im empirischen Teil dieser Arbeit wurde anhand der Vorgehensweise nach der VDI-Richtlinie 3633 ein funktionsfähiges Simulationsmodell des automatischen Kranlagersystems entwickelt, das den Betrieb mit bis zu drei gleichzeitig operierenden Kränen sowie die notwendigen Kollisionsvermeidungsmechanismen abbildet. Der Fokus lag auf der qualitativen und quantitativen Bewertung des Systemverhaltens unter verschiedenen Szenarien, um die definierten Forschungsfragen beantworten zu können. Die final durchgeführten Experimente identifizierten den Lagerfüllgrad und die maximale Stapelanzahl als signifikante Einflussgrößen auf die Umschlagleistung. Deren Zunahme steigert aufgrund der LIFO-Entnahmestrategie den Umlageraufwand und reduziert somit den Gesamtdurchsatz. Ebenso zeigten die Experimente, dass zur Kapazitätssteigerung die Erweiterung der Lagerfläche der reinen Erhöhung der Stapelhöhe vorzuziehen ist. Der Betrieb mit drei Kränen erzielte in den Testfällen die höchste Leistungsfähigkeit. Im Lagerlayout ist die Verlängerung in Brückenfahrtrichtung (höhere maximale Geschwindigkeit) vorteilhaft, während eine Ausdehnung in Katzenfahrtrichtung das Kollisionsrisiko erhöht. Abschließend führte die Nutzung eines strategischen Steuerungskonzeptes (distanzabhängige Zielauswahl bei Umlagerungen) zur weiteren Steigerung der Umschlagleistung.

In this thesis, a simulation-based performance analysis of an automatic overhead crane storage system for pallet cages (KrasS) was carried out under varying operating conditions. This system, which is based on the targeted retrofitting of standard overhead cranes, promises advantages such as flexible and space-saving storage organization. However, there is a significant research gap regarding its performance under realistic operating conditions. The primary goal of this thesis is to close this gap by evaluating the throughput as a function of various input variables (e.g. number of cranes or warehouse fill rate) and deriving recommendations for planning and implementation. The theoretical part of this thesis created a comprehensive foundation in the areas of material flow simulation, warehouse and conveyor technology, and overhead cranes. In the empirical part of this thesis, a functional simulation model of the automatic crane storage system was developed based on the procedure specified in the VDI guideline 3633. This model simulates scenarios with up to three cranes operating simultaneously and the necessary collision avoidance mechanisms. The focus was on the qualitative and quantitative evaluation of the system behavior under various scenarios to answer the defined research questions. The final experiments identified the warehouse fill rate and the maximum stack size as significant factors influencing the throughput of the system. Due to the LIFO removal strategy, an increase in these factors raises the amount of required relocation work and thus reduces the overall throughput. The experiments also showed that expanding the storage area is more preferable than increasing the stack height to expand the warehouse capacity. The operation with three cranes achieved the highest performance in the test cases. In the warehouse layout, an extension in the direction of bridge travel (higher maximum speed) is advantageous, while an extension in the direction of cab travel increases the risk of collision. Finally, the implementation of a distance-dependent strategic control concept led to a further increase in throughput performance.