CN103348364A - 用于优化生产过程的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定最优生产流程计划(PAPopt)的方法，所述方法包括以下步骤：-按照预给定的第一成本函数(KF1)和预给定的生产过程模型(M)制定第一生产流程计划(PAP1)，其中所述第一成本函数(KF1)为确定第一成本参量(K1)而构成，所述第一成本参量(K1)表示所述第一生产流程计划(PAP1)的能源成本；-按照预给定的相应第二成本函数(KF2)和预给定的生产过程模型(M)制定一个或多个第二生产流程计划(PAP2)，其中所述一个或多个第二成本函数(KF2、KF3)为确定一个或多个第二成本参量(K2、K3)而构成；-根据所述第一和所述一个或多个第二成本参量(K1、K2、K3)为每个生产流程计划(PAP1、PAP2、PAP3)确定总成本参量(KG)；-选出其总成本参量最小的那个生产流程计划作为最优生产流程计划(PAPopt)。
Description
技术领域
本发明一般涉及用于制造工业或过程工业中生产过程的优化方法。本发明还涉及高能效地运行生产设备的措施，即以能源需求和原材料需求分别被优化的方式来计划、调节以及控制生产。
背景技术
在至今为止用于生产计划和生产执行的方法中，试图在一个或多个过程变量方面优化生产。这在考虑了不同边界条件的情况下进行，不同边界条件例如是订单交期、机器限制、维护停机和类似的。针对该优化，在许多情况下使用数学优化法，它针对预给定的成本函数和边界条件得出最优解，其中成本函数“cost function”或目标函数“objective function”也或能量函数“energy function”这些名称通常是同义的。
此外，还试图将能源消耗、例如之前已经阐述的原材料使用作为边界条件采纳到该优化方法中。求解这样的多标准优化是非常困难的，这是在工业应用中对能源消耗的考虑仍未实践的原因。此外，在给定的成本框架下、例如材料使用和原材料使用，在考虑生产的边界条件、例如机器的数目或配方规定(Rezepturvorgabe)的情况下，传统优化方法明显注重于产量的最大化。
同时，通过电流市场(Strommarket)和能源交易性贸易的自由化在交易场所灵活地购入电流或能源的可能性越来越大。在此，采购数量和采购时间段以及相应价格被确定。在生产设备自身也产生能源的情况下，不仅在交易场所购买能源，而且相反也将能源馈入到供应电网(Versorgungsnetz)中。
为了确定所需的能源数量，通常使用现有的生产计划，它是待获取能源数量的基础。然后在能源交易场所上尽可能便宜地购入该能源数量。
随着备选能源来源越来越多地推广，并且鉴于传统电网改建成所谓的智能电网(smart grid)，生产企业的电流贸易越来越多地实时发生。这意味着电流价格更剧烈地变化且电网运营商寻找便宜地提供过剩电流的可能性，而当能源数量紧缺时、例如在天气差或无风时他们将价格提高。尽管以最新的价格购入电流在将来是可能的，但是至今未规定在生产过程的生产计划中考虑能源消耗。如果是这种情况，那么存在如下可能性：电网运营商更统一地采购全部能源，并且尤其是适应目前的能源可用性。
例如，拥有过量能源（这例如可能由于在风力电站当地有强风而出现）的电网运营商不能高效地存储能源。因此，该电网运营商通过变化的定价尝试将该能源提供给生产企业。现在该生产企业可以尝试如此调整其生产计划或生产实施，使得能源耗费大的过程被优先化，并且在可能时允许生产过剩，基于可用的能源低成本地制造中间产品或部分产品(Teilprodukt)。由此电网中过剩的能源可以一定程度上作为生产企业中的部分产品、中间产品或成品暂时存储起来。然而为了利用该可能性，该生产企业必须有能力快速且灵活地与能源可用性的改变对应地对其生产进行重新计划，或者决定在能源可用性改变的情况下改变生产实施是否有意义。
在相反的情况下，在能源供应显著下降（例如由于无风或用于太阳能设备的太阳辐射减少）时，现在该电网运营商要求已经准备好的用电者降低所需的能源数量，即使这些能源数量被预订或已经获得。在此，该生产企业也可以检查在多大程度上可以重新计划生产实施，以便因而满足电网运营商的要求。在此，尤其是在生产未百分之百利用的情况下能够获得如下自由度：能够将能源耗费大的生产过程推迟到将来。
基于天气预测，关于较近将来的能源可用性如何的信息也要供电网运营商使用。因此，不仅能够向生产企业提供最新能源可用性的指示供使用，而且能够提供将来能源可用性的预测性走势供使用。将能源可用性作为另外的优化参量来考虑将另外的优化参量（即能量效率）添加到已经存在的优化系统（即关于例如生产量(它涉及的是生产数量)和/或关于例如设备健康(它涉及生产设备的保护式运行)的生产）。由此这些优化方法会异常复杂且计算密集，使得它们通常不能够在能源可用性快速改变情况下使用。
因此，本发明的任务是：提供用于优化生产过程的运行的方法和装置供使用，在所述方法和装置中作为另外的优化参量考虑可用能源的高效利用。
发明内容
该任务通过按照权利要求1所述的用于确定用于在生产过程中实现的生产流程计划的优化方法以及通过按照并列权利要求所述的优化系统和计算机程序产品得到解决。
另外的有利拓展方案在从属权利要求中给出。
按照第一方面，提供用于确定用于在生产过程中实现或应用的最优生产流程计划的方法。该方法包括以下步骤：
- 按照预给定的第一成本函数和预给定的生产过程模型制定第一生产流程计划，其中该第一成本函数为确定第一成本参量而构成，该第一成本参量表示第一生产流程计划的能源成本；
- 按照预给定的相应第二成本函数和预给定的生产过程模型制定一个或多个第二生产流程计划，其中一个或多个第二成本函数为确定一个或多个成本参量而构成；
- 根据第一成本参量和一个或多个第二成本参量为每个生产流程计划确定总成本参量；
- 选出其总成本参量最小的那个生产流程计划作为最优生产流程计划。
本发明的理念在于，将能源可用性和能源消耗的成本定义为自有的优化目标。借助协调多个分别指配有成本函数的优化目标，能够相对于另外的优化目标平等地考虑该优化目标，或相对于另外的优化目标利用特定的权重考虑该优化目标。这些关于这些优化目标的优化互相协调，来代替考量同时考虑了能源利用和另外的优化目标、例如生产量的优化问题。该协调的优化方法在该情况下具有如下优点：现有的解决方案能够被集成而不必被代替。这些优化系统的协调能够通过合适的协调器或通过合适的协调功能得到实施。基本上，该协调器并行地求解两个等值的优化模型且借助成本函数关于总优化目标评估两个优化结果，所述总优化目标考虑了多个成本函数的优化目标。
此外，一个或多个成本函数可以指配给以下生产目标中的一个或多个：
- 生产量；
- 设备保护；
- 生态式产生能源的使用；
- 生产安全性；和
- 原材料使用。
可以规定，总成本参量根据预给定的权重参量确定，尤其是确定为加权成本参量的总和。
该方法能够迭代地实施，其方式是通过利用至少一个改变的过程参数和/或至少一个改变的过程边界条件实施第一生产流程计划和一个或多个第二生产流程计划的制定。以此方式，该协调功能能够调整预给定的过程参数和/或边界条件且重新制定生产流程计划，所述生产流程计划关于多个优化目标被优化。
此外，该方法能够迭代地实施，直到出现中止标准。该中止标准尤其是能够对应于达到确定最优生产流程计划(PAPopt)的最大重复次数或者达到预给定的总优化标准。
过程参数和过程边界条件的改变可以根据之前确定的最优生产流程计划确定。
过程参数的改变可以涉及并行的同类型生产过程的数目或生产过程的功率等级，该功率等级表示利用哪个功率运行所述生产过程。
按照一实施方式，过程边界条件的改变可以涉及中间产品和成品的最大和/或最小的仓储数量的规定。
按照另一方面，提供用于确定用于在生产过程中实现或应用的最优生产流程计划的优化系统，其包括：
- 用于按照第一成本函数和预给定的生产过程模型制定第一生产流程计划的第一优化器，其中第一成本函数为确定第一成本参量而构成，该第一成本参量表示第一生产流程计划的能源成本；
- 用于按照相应的第二成本函数和预给定的生产过程模型制定一个或多个第二生产流程计划的第二优化器，其中一个或多个第二成本函数为确定一个或多个第二成本参量而构成；
- 用于根据第一成本参量和一个或多个第二成本参量为每个生产流程计划确定总成本参量并用于将其总成本参量最小的那个生产流程计划选出作为最优生产流程计划的协调器。
按照另一方面，提供计算机程序产品，它包含程序代码，该程序代码当在数据处理单元上执行时实施上面的方法。
附图说明
下面参考附图详细阐述本发明的优选实施方式。其中：
图1示出了用于优化生产过程的优化系统的示意性方块图；以及
图2示出了用于展示生产流程计划的迭代确定的功能图。
具体实施方式
优化生产企业的生产设备的生产过程时必须考虑不同的方面。一方面必须获取能源，以便运行生产设备。这例如通过如下发生：通过在能源供应者处购买能源；通过在内部产生能源、例如通过家庭或企业自有的太阳能电池、风轮机和/或小型电站；或通过对由生产相关放热过程所形成能源的重复使用、尤其是从累积的热能中获取电能。
另一方面生产设备消耗能源，其中各个生产过程分别具有自有的能源消耗。在能源可用性高的时间，能够由此提高产量且尽可能超出实际需求为库存而生产，而在能源可用性低的时期限制生产或甚至过剩能源、尤其是电能能够回馈到电网中。然而，现有能源的优化利用和所需产量通过两方面的总体考量才能够达到。
在图1中展示了优化系统的示意性方块图。耦合多个优化器3的协调器2位于该优化系统的核心中。在当前的例子中，设置三个优化器31、32、33用于如下优化目的：生产量、能源使用和设备保护。此外，另外的优化方面(优化目标)、例如“绿色生产”方面是可考虑的，在“绿色生产”中特别注重生态式产生能源的使用。另外的优化方面可以是生产安全性、即生产远离过程的负荷极限和稳定性极限，以及原材料使用、即所使用原材料的最小化。
通过合适的用户接口4给协调器2预规定各个优化方面的权重。该权重尤其是能够以百分比预给定，使得权重参量总和得到100%。
在考虑预给定的生产边界条件PR的情况下，各个优化器31、32、33按照相应指配的优化目标制定或优化生产流程计划PAP。生产边界条件例如能够涉及订单交期、机器限制、维护停机和类似的。
该优化基于分别指配给这些优化目的的成本函数KF1、KF2和KF3来进行。因此，这些成本函数KF1、KF2、KF3能够例如考虑如下优化目标：生产量、生产数量、能源效率、设备保护和/或维护间隔的持续时间。这些成本函数KF1、KF2、KF3以已知的方式将成本参量K指配到待考量的生产流程计划PAP。该成本参量K使得能够比较各个优化目标是如何达到的。由此能够借助权重参量根据各个成本参量确定总成本参量。
此外，给优化器31、32、33分别提供生产过程的基础模型的模型描述M，所述模型描述M例如能够借助资源-任务网络5获得。
优化器31、32、33分别配备对应解算器61、62、63，对应解算器61、62、63关于相应成本函数KF1、KF2、KF3制定生产流程计划。各个生产流程计划提供给协调器2。在协调器2中，每个关于其余优化目的如此获得的生产流程计划被评估，即关于生产量被优化的生产流程计划借助相应成本函数KF1、KF2、KF3关于其能源效率和设备保护被评估。例如如果关于第二优化目的对第一生产流程计划的评估与第二生产流程计划的能源效率有偏差或偏差大于预规定的公差值，那么优化参数被改变且优化过程在各个优化器31、32、33中利用改变的优化参数重新实施。以此方式实现结合了现有优化器或优化方法的迭代优化过程。
备选地，这些优化方面的各个解能够与其他优化器3的解相结合且必要时能够利用改变的边界条开始新的优化循环(Optimierungsdurchlauf)。
在图2中示出了用于说明该优化方法的功能图。在优化模块11中，分别按照指配的成本函数KF1、KF2、KF3和提供的生产过程模型M来确定优化的生产流程计划PAP1、PAP2、PAP3，利用优化的生产流程计划PAP1、PAP2、PAP3与所指配的成本函数KF1、KF2、KF3对应地达到对对应成本参量K1、K2、K3的优化。每个如此确定的生产流程计划PAP1、PAP2、PAP3借助其余的成本函数KF1、KF2、KF3在相应的评估模块12中进行评估，使得总体上针对每个生产流程计划PAP1、PAP2、PAP3提供对应成本参量K1(PAP1)、K2(PAP1)、K3(PAP1)、K1(PAP2)、K2(PAP2)、K3(PAP2) 、K1(PAP3)、K2(PAP3)、K3(PAP3)。分别属于生产流程计划PAP1、PAP2、PAP3的成本参量K1、K2、K3利用权重参量G1、G2、G3在加权模块13中进行加权且确定出总成本参量KG，例如根据以下规定：
KG=K1xG1+ K2xG2+ K3xG3
通过在比较模块14中比较所确定的各个生产流程计划PAP1、PAP2、PAP3的总成本参量KG(PAP1)、KG(PAP2)、KG(PAP3)，能够确定其总成本参量最小的那个生产流程计划PAPopt。根据最优生产流程计划PAPopt，现在能够利用改变的过程参数和边界条件开始一个或多个另外的循环(Durchlauf)，其中过程参数和边界条件的变化以所确定的最优生产流程计划PAPopt为导向。过程参数和边界条件的变化根据最优生产流程计划PAPopt在迭代模块15中实施。
上面的方法能够迭代地实施，直到中止标准(Abbruchkriterium)出现。该中止标准尤其是能够对应于达到确定最优生产流程计划的最大重复次数或达到预给定的总优化标准。
总之，协调器2的任务在于，如此控制参与的优化器3，使得整体解对应于特定目标。在此，与总目标对应地计算对优化器31、32、33的规定且转发该规定。基于各个优化器31、32、33的所获得的部分优化结果来重复该过程，直到所确定的生产流程计划PAPopt不再能期望有明显的改进。在有关能源效率进行优化时，生产企业中的生产速度和能源存储器的使用也能够作为附加的优化自由度在该过程中被考虑。
尤其是，在并行使用同类生产机器的情况下能够考虑生产速度，其方式是通过在能源可用性较低的情况下仅使用部分生产机器且由此减少生产量或生产速度。多个待使用的、同类型生产过程的数目例如能够在迭代时以过程参数形式预给定。
参考标记列表
1 优化系统
2 协调器
31、32、33 优化器
4 用户接口
5 资源-任务网络
61、62、63 解算装置
11 优化模块
12 评估模块
13 加权模块
14 比较模块
15 迭代模块
Claims (11)
1. 用于确定用于在生产过程中实现的最优生产流程计划(PAPopt)的方法，所述方法包括以下步骤：
- 按照预给定的第一成本函数(KF1)和预给定的生产过程模型(M)制定第一生产流程计划(PAP1)，其中所述第一成本函数(KF1)为确定第一成本参量(K1)而构成，所述第一成本参量(K1)表示所述第一生产流程计划(PAP1)的能源成本；
- 按照预给定的相应第二生产成本函数(KF2)和预给定的生产过程模型(M)制定一个或多个第二生产流程计划(PAP2)，其中所述一个或多个第二成本函数(KF2、KF3)为确定一个或多个第二成本参量(K2、K3)而构成；
- 根据所述第一成本参量和所述一个或多个第二成本参量(K1、K2、K3)为每个所述生产流程计划(PAP1、PAP2、PAP3)确定总成本参量(KG)；
- 选出其总成本参量最小的那个生产流程计划作为最优生产流程计划(PAPopt)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个第二成本函数(KF2、KF3)指配给以下生产目标中的一个或多个：
- 生产量，
- 设备保护；
- 生态式产生能源的使用
- 生产安全性；和
- 原材料使用。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中所述总成本参量(KG)根据预给定的权重参量(G1、G2、G3)来确定、尤其是确定为加权成本参量的总和。
4. 根据权利要求1至3之一项所述的方法，其中所述方法被迭代地实施，其方式是通过利用至少一个改变的过程参数(PR)和/或至少一个改变的过程边界条件来实施所述第一生产流程计划(PAP1)和所述一个或多个第二生产流程计划(PAP2)的制定。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述方法被迭代地实施，直到中止标准出现。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其中所述中止标准对应于达到确定所述最优生产流程计划(PAPopt)的最大重复次数或者达到预给定的总优化标准。
7. 根据权利要求4至6之一项所述的方法，其中所述过程参数(PR)和所述过程边界条件的改变根据之前确定的最优生产流程计划(PAPopt)来确定。
8. 根据权利要求4至7之一项所述的方法，其中所述过程参数的改变涉及并行的同类型生产过程的数目或生产过程的功率等级，所述功率等级表示利用哪个功率运行所述生产过程。
9. 根据权利要求4至8之一项所述的方法，其中所述过程边界条件的改变涉及中间产品和成品的最大和/或最小的仓储数量的规定。
10. 用于确定最优生产流程计划(PAPopt)的优化系统，所述优化系统包括：
- 用于按照第一成本函数(KF1)和预给定的生产过程模型(M)制定第一生产流程计划(PAP1)的第一优化器(31)，其中所述第一成本函数(KF1)为确定第一成本参量(K1)而构成，所述第一成本参量(K1)表示所述第一生产流程计划(PAP1)的能源成本；
- 用于按照相应的第二成本函数(KF2、KF3)和所述预给定的生产过程模型(M)制定一个或多个第二生产流程计划的第二优化器(32)，其中所述一个或多个第二成本函数(KF2、KF3)为确定一个或多个第二成本参量(K2、K3)而构成；
- 用于根据所述第一成本参量和所述一个或多个第二成本参量(K1、K2、K3)为每个所述生产流程计划(PAP1、PAP2、PAP3)确定总成本参量(GK)并用于将其总成本参量最小的那个生产流程计划选出作为最优生产流程计划(PAPopt)的协调器(2)。
11. 计算机程序产品，所述计算机程序产品包含程序代码，所述程序代码当它在数据处理单元上执行时实施根据权利要求1至9之一项所述的方法。
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