DD246641A1

DD246641A1 - Verfahren zur steuerung von verarbeitungsmaschinen nach optimalen arbeitsgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DD246641A1
Application number: DD28785586A
Authority: DD
Inventors: Guenter Bleisch; Joachim Hennig; Manfred Woelk
Original assignee: Nagema Veb K
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1987-06-10
Also published as: DE3701880C2; DE3701880A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Verarbeitungsmaschinen nach optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten, die eine definierte, von vorgeschalteten Einrichtungen anfallende oder in Speichern vorhandene Verarbeitungsgutmenge verarbeiten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der optimalen Arbeitsgeschwindigkeit von Verarbeitungsmaschinen zu entwickeln, welches das Ausfallverhalten der Maschine und des vorgeschalteten Prozesses mit dem daraus resultierenden stark schwankenden Verarbeitungsgutvorrat am Eingang der Maschine beruecksichtigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die Arbeitsgeschwindigkeit der Verarbeitungsmaschine auf die gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn eine mittlere Speicherbelegung vorhanden ist und/oder eine gleichbleibende Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr vorliegt. Die Arbeitsgeschwindigkeit wird auf eine kostenoptimale Arbeitsgeschwindigkeit eingestellt, wenn die mittlere Speicherbelegung ueberschritten wird und/oder die Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr unter einen festgelegten Gradienten sinkt. Die Arbeitsgeschwindigkeit wird auf eine produktivitaetsoptimale Arbeitsgeschwindigkeit eingestellt, wenn die mittlere Speicherbelegung ueberschritten wird und/oder die Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr ueber einen festgelegten Gradienten steigt. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die.Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Verarbeitungsmaschinen nach optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten, die eine definierte, von vorgeschalteten Einrichtungen anfallende oder in Speichern vorhandene Verarbeitungsgutmenge verarbeiten. Derartige Verarbeitungsmaschinen, wie z. B. Verpackungsmaschinen, Getränkemaschinen und Lebensmittelmaschinen, arbeiten unter stochastischen Betriebsbedingungen, d. h. ihre Ausfälle und Schwankungen in der Verarbeitungsgutzuführung bei Einordnung in Verarbeitungslinien, treten weitgehend zeitinvariant auf. Die Möglichkeit der stufenlosen Einstellung der Arbeitsgeschwindigkeit muß in diesen Maschinen vorhanden sein.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus der DE-OS 31 20603 ist für Verarbeitungsmaschinen eine Lösung bekannt, bei der die tatsächliche Produktivität aus der eingegebenen Zahl von Gefäßen, der Behandlungszeit, der möglichen Produktivität und dem aktuellen Befüllungsgrad stetig rechnerisch ermittelt wird. Die sich daraus ergebenden Kenngrößen werden zur Regelung der Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine selbst und/oder weiterer zugeordneter Maschinen herangezogen. Die Ermittlung erfolgt nach einem Berechnungsalgorithmus mittels Rechner auf der Grundlage von Sensorimpulsen aus dem Bereich der Maschine, die kontrollierend wirken. Die Regelungsgröße wird durch die Sensorimpulse adaptiv selbsttätig verändert und optimiert. Nachteilig ist, daß die Regelung nur nach einer definierten Anzahl von Produkten erfolgt und keine Effektivitätskriterien zugrunde liegen. Diesen Nachteil beseitigt die in der DE-OS 2508113 beschriebene Lösung. Über direkt im Produktionsprozeß erfaßte Daten und ein Programm, das das gewünschte Ziel festhält, wird die optimale Arbeitsgeschwindigkeit ermittelt. Dabei wird durch Verarbeitung der über Sensoren erhaltenen Werte und der von Hand eingegebenen Sollwert-Angaben unter Berücksichtigung des Zielprogramms Art und Weise der Änderung der zuvor eingestellten Arbeitsgeschwindigkeit im Hinblick auf Erreichen des Optimalwertes festgelegt. Die Änderung wird automatisch durchgeführt. Anschließend wird erneut eine Information über den mit veränderter Arbeitsgeschwindigkeit ablaufenden Produktionsvorgang eingeholt, die Arbeitsgeschwindigkeit wiederholt bis zum Erreichen des Optimalwertes verändert und auf diesen Wert automatisch eingestellt.

Auf der Grundlage stetig zu ermittelnder Informationen wird durch die Einrichtung der eingestellte Optimalwert der Arbeitsgeschwindigkeit laufend überprüft und bei veränderten Bedingungen des Verarbeitungsprozesses und Systemparametern korrigiert.

Nachteilig ist, daß die Anwendung dieser Lösung voraussetzt, daß ein ausreichender Verarbeitungsgutvorrat zeitunabhängig für die Verarbeitungsmaschine vorhanden ist. Das ist für Verarbeitungsmaschinen der oben beschriebenen Art (Verpackungsmaschinen, Getränkemaschinen u.a.) wegen des stochastischen Ausfallverhaltens der Maschine bzw. einer Maschinengruppe oder -linie nur mit Pufferung des Verarbeitungsgutes in größeren Speichern erreichbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen optimalen effektivitätsorientierten Produktausstoß für Verarbeitungsmaschinen zu erreichen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der optimalen Arbeitsgeschwindigkeit von Verarbeitungsmaschinen zu entwickeln, welches das Ausfal!verhalten der Maschine und des vorgeschalteten Prozesses mit dem daraus resultierenden stark schwankenden Verarbeitungsgutvorrat am Eingang der Maschine berücksichtigt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Arbeitsgeschwindigkeit der Verarbeitungsmaschine auf die gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn eine mittlere Speicherbelegung vorhanden ist und/oder eine gleichbleibende Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr vorliegt. Die Arbeitsgeschwindigkeit wird auf eine kostenoptimale Arbeitsgeschwindigkeit eingestellt, wenn die mittlere Speicherbelegung unterschritten wird und/oder die Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr unter einen festgelegten Gradienten sinkt.-

Die Arbeitsgeschwindigkeit wird auf eine produktivitätsoptimale Arbeitsgeschwindigkeit eingestellt, wenn die mittlere Speicherbelegung überschritten wird und/oder die Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr über einen festgelegten Gradienten steigt.

Weiterhin wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Veränderung der Arbeitsgeschwindigkeit von der gewinnoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit auf die produktivitäts- bzw. kostenoptimaie Arbeitsgeschwindigkeit durch Annäherung an den Grenzwert in Intervallen oder stetig erfolgen kann.

Die Speicherbelegung wird über Sensoren ermittelt.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß

• eine maximale Effektivität des Einsatzes der Verarbeitüngsmaschine in der Verarbeitungslinie durch optimale Abstimmung ihrer tatsächlichen Produktivität unter Beachtung der entstehenden Verarbeitungskosten auf die zur Verarbeitung vorhandene Gutmenge erreicht wird;

• die insbesondere zeitbezogene Stabilität des Verarbeitungsprozesses durch einen vorausschauenden gleichmäßigeren Betrieb der Verarbeitüngsmaschine erreicht wird;

• die Belastung der Bedien-und Wartungskräfte sinkt;

• die Abmessungen der notwendigen Speicher reduziert werden können.

Des weiteren körinen durch zwingende Vorgaben der Zielfunktion spezielle Produktionsbedingungen optimal berücksichtigt werden (z.B. maximale Produktivität im Saisonbetrieb unter Vernachlässigung der Verarbeitungskosten).

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die dazugehörige Figur zeigt eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Kosten, der Produktivität und des Gewinns von der Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine.

Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung an Hand einer Einschlagmaschine für Hartkaramellen beschrieben. Bei derartigen Maschinen steht in der Regel die Verarbeitungsaufgabe, eine bestimmte Produktmenge mit definierter Qualität effektiv herzustellen. Die effektiv herstellbare Produktmenge (verpackte Hartkaramellen) wird bestimmt von der anfallenden Gutmenge (geprägte oder gegossene Hartkaramellen) nach dem vorgeschalteten Prozeß wie den für den zu realisierenden Verpackungsprozeß gegebenen Verarbeitungsbedingungen. Sowohl die anfallende Gutmenge als auch die Verarbeitungsbedingungen verändern sich während der Realisierung des Prozesses. Aus Anpassungsgründen ist die Verpackungsmaschine in der Regel mit einer Einrichtung zum stufenlosen Verstellen der Arbeitsgeschwindigkeit n_B in einem festgelegten Bereich ausgerüstet. Dieser Bereich ist mit den Grenzwerten minimale Arbeitsgeschwindigkeit n_A und nominelle Arbeitsgeschwindigkeit n^ festgelegt. Eine rechnerische Produktivität Q₁- (Produktmenge pro Zeiteinheit) ist der Arbeitsgeschwindigkeit n_B direkt proportional. Die Linearität von Produktivität Q_r und Arbeitsgeschwindigkeit n_B ist jedoch bekanntermaßen nur rechnerisch gegeben. Dei tatsächliche Produktivität Q_t der Verpackungsmaschine wird bestimmt von der rechnerischen Produktivität Q₁- und den während des Prozesses auftretenden Ausfällen, in denen die Maschine aus produktionsorganisatorischen, maschinentechnischen oder verarbeitungstechnischen Gründen stillgesetzt werden muß, leer läuft oder Ausschuß produziert. Diese Ausfälle (ausgenommen die produktionsorganisatorischen) erhöhen sich bei steigender Arbeitsgeschwindigkeit n_B progressiv. Die aus den Ausfällen resultierenden Produktionsverluste Q_v erreichen folglich bei steigender Arbeitsgeschwindigkeitn_B einen Wert, der dem rechnerischen Produktivitätszuwachs gleich ist, so daß die tatsächliche Produktivität Q_t einen Maximalwert aufweist.

dQ_r _ dQ_v dQ, _

dn_B dn_B dn_B

- Damit erreicht die Arbeitsgeschwindigkeit n_B einen produktivitätsoptimalen Wert n₀.

Die spezifischen Verfahrenskosten kv sind die für die Realisierung des Verpackungsprozesses notwendigen Aufwendungen für die Anschaffung und Installation der Verpackungsmaschine, für ihre Bedienung und Wartung und für die zu ihrem Betrieb notwendige Energie und Materialien sowie die entstehenden Verarbeitungsgutverlsute (im Beispiel Verluste von Verpackungsmittel und Hartkaramellen) bezogen auf die hergestellte Produktmengeneinheit. Diese Verfahrenskosten k_vsind ebenfalls von der Arbeitsgeschwindigkeit n_B abhängig. Sie weisen bei einer kostenoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit ηκ einen Minimalwert auf (siehe Figur). Diese Abhängigkeit resultiert aus der Berechnung der spezifischen Verfahrenskosten bezogen auf die arbeitsgeschwindigkeitsabhängige tatsächliche Produktivität Q, und aus der Abhängigkeit einzelner Aufwendungen (für Energie, Reparaturen, Verarbeitungsgutverluste) von der Arbeitsgeschwindigkeit n_B. Weil die spezifischen Verfahrenskosten

sowohl von der arbeitsgeschwindigkeitsabhängigen tatsächlichen Produktivität Q₁ als auch von arbeitsgeschwindigkeitsabhängigen Aufwendungen beeinflußt werden, gilt

n_K<n₀.

Damit kann nach effektivitätsorientiertem Gesichtspunkt ein Bereich optimaler Arbeitsgeschwindigkeiten der . Verpackungsmaschine definiert werden. Die Auswahl der Arbeitsgeschwindigkeit in diesem Bereich macht die Vorgabe einer Zielfunktion notwendig. Das kann nach der Zielfunktion minimale Kosten oder die Zielfunktion maximale tatsächliche Produktivität einer der beiden Grundwerte (n_K oder n_o) des Bereiches optimaler Arbeitsgeschwindigkeiten sein. Ebenso kann das eine Arbeitsgeschwindigkeit πβ innerhalb des Bereiches der optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten nach'einer weiteren Zielfunktion sein, beispielsweise nach maximalem Gewinn (in Figur maximaler Zusatzgewinn AG). Der Zusatzgewinn AG aus erhöhter tatsächlicher Produktivität Q, entsteht, weil im Bereich der kostenoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit n_K dem relativ starken Anstieg der tatsächlichen Produktivität Q_t ein geringer Anstieg der spezifischen Verfahrenskosten kv gegenübersteht. Damit wird bei maximalem Zusatzgewinn AG eine gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit nc definiert und es gilt: Π|<<ηα<η₀. Für das Betreiben der Verpackungsmaschine nach optimaler Arbeitsgeschwindigkeit n_opt ist zu beachten, daß deren Werte von den Verarbeitungsbedingungen, insbesondere der Qualität der Verpackungsmittel und des Verpackungsgutes (Hartkaramelie) sowie dem maschinentechnischen Zustand bestimmt werden und sich während des Prozesses ändern können. Daraus ergibt sich die Bestimmung der optimalen Arbeitsgeschwindigkeit n_opt nach statistischen Untersuchungen als mittlere Größe, bezogen auf definierte Verarbeitungsbedingungen und das Betreiben der Verpackungsmaschine nach diesen Werten. Gleichermaßen sind diese Werte als „a priori"-lnformation im Rechner der Verpackungsmaschine zu nutzen und durch Prozeßinformationen laufend zu präzisieren. Die Einstellung oder Korrektur der Arbeitsgeschwindigkeit n_B ist zwar manuell möglich. Weil das aber im Verarbeitungsprozeß kaum realisierbar ist, wird die .rechnergestützte Ermittlung der optimalen Arbeitsgeschwindigkeit n_op, und ihre automatische Einstellung bzw. Korrektur in der Verpackungsmaschine für die Lösung herangezogen. Die Vorgabe der Zielfunktion an den Steuerrechner der Verpackungsmaschine zur Auswahl der jeweiligen gültigen Arbeitsgeschwindigkeit ng in Abhängigkeit von den aktuellen Produktionsbedingungen wird'manuell durch die Bedienperson und automatisch nach Prozeßinformation vorgesehen.

Die Prozeßinformation wird an der Zuführeinrichtung (Speicher) der Verpackungsmaschine oder bei Parallelschaltung mehrerer Maschinen an einem vorgeschalteten Speicher für die unverpackten Hartkaramellen gewonnen. Als Sensor ist beispielsweise eine Kraftmeßdose vorgesehen. Ausgehend davon, daß die projektierte, durchschnittlich zur Verarbeitung vorgesehene, Verarbeitungsgutmenge effektivitätsorientiert auf die gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit n_G der Verarbeitungsmaschine abgestimmt ist, wird diese Betriebsweise als Vorzugsvariante gewählt.· Die Auswahl der gewinnoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit n_G erfolgt damit bei mittlerer Speicherbelegung mit Verarbeitungsgut oder gleichbleibender Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr. Bei Unterschreiten des vorgegebenen Toleranzfeldes für den mittleren Verarbeitungsgutvorrat oder beifallenderTendenz der Verarbeitungsgutzufuhr nach Unterschreiten eines nach dem technischen und produktionsorganisatorischen Bedingungen vom Anwender einzustellenden Gradienten wird durch den Prozeßrechner der Verarbeitungsmaschine die kostenoptimale Arbeitsgeschwindigkeit n_K vorgegeben. Das Verändern der Arbeitsgeschwindigkeit Πβ kann durch unmittelbares Einstellen der kostenoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit n< oder durch stufenweise Annäherung an diesen Wert erfolgen. Bei Überschreiten des vorgegebenen Toleranzfeldes für den mittleren Verarbeitungsgutvorrat oder bei steigender Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr nach Überschreiten des eingestellten'Gradienten wird analog die produktivitätsoptimale Arbeitsgeschwindigkeit n₀ vorgegeben.

Beim Einsatz mehrerer Verarbeitungsmaschinen parallel in dergleichen Prozeßstufe ist es notwendig, Prioritäten bei Verändern der Zielfunktionen der einzelnen Maschinen im Prozeßrechner vorzugeben. Zweckmäßig ist es, die.Reihenfolge nach der tatsächlichen Produktivität der einzelnen Maschinen festzulegen, wobei die Zielfunktion der Maschine mit der höchsten tatsächlichen Produktivität zuerst zu verändern ist, weil ein schnellstmöglicher Ausgleich schwankender Verarbeitungsgutmengen wegen der Stabilität des Prozesses anzustreben ist.

Im ausgeführten Beispiel wird das Verfahren zur Steuerung von Verarbeitungsmaschinen nach optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten n_opt für zwei Einschlagmaschinen für Hartkaramellen, die mit einem vorgeschalteten Zwischenspeicher für unverpackte Hartkaramellen verkettet sind, realisiert. Die Belegung des Speichers mit Hartkaramellen wird durch die Produktivität der vorgeschalteten Prägemaschine sowie deren Ausfallverhalten vorgegeben. Ausgehend von der Tendenz der Speicherbelegung, die von einem Prozeßrechner nach Impulsen der Kraftmeßdose bestimmt wird, werden in festgelegten Intervallen die vorzugebenden Zielfunktionen der Einschlagmaschine bestimmt. Weist beispielsweise die Speicherbelegung eine steigende Tendenz mit Überschreitung des festgelegten Gradienten auf, wird die normalerweise gewinnoptimal eingestellte Einschlagmaschine mit der momentan höheren tatsächlichen Produktivität auf die produktivitätsoptimale Arbeitsgeschwindigkeit n₀ eingestellt, um bei zeitweiliger Vernachlässigung der Kosten den entstandenen oder sich tendenziell ankündigenden Verarbeitungsgutstau zu beseitigen.

Steigt die Speicherbelegung bei Überprüfung im nächsten Intervall weiter an, wird die zweite Einschlagmaschine ebenfalls auf die produktivitätsoptimale Arbeitsgeschwindigkeit n₀ geführt. Sinkt die Speicherbelegung, so wird die erste Maschine wieder auf die gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit η$ zurückgeführt. Voraussetzung für diese Betriebsweise ist, daß unter Berücksichtigung des Ausfallverhaltens der einzelnen Maschinen durch einen internen Regelkreis (Kraftmeßdose im Hartkaramellentrichter der Einschlagmaschine und gesteuerter Zuführweiche) die vom Speicherband der einzelnen Maschine zugeführte Hartkaramellenmenge ein annähernd gleiches Füllniveau im Hartkaramellentrichter beider Maschinen gewährleistet.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Steuerung von Verarbeitungsmaschinen nach optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten,

— die nach einem vorgegebenen mathematischen Modell auf der Grundlage empirisch ermittelter Werte berechnet und/ oder

— unter Beachtung der stochastischen Betriebsbedingungen durch Anwendung eines Optimierungsverfahrens ermittelt werden, wobei

— durch Sensoren Ausfallzeiten der Maschine sowie die Verarbeitungsgutmenge

• in der Maschine

absolut und ...

als Funktion der Zeit bestimmt werden und

— diese Werte einem Prozeßrechner zugeführt werden,
gekennzeichnet dadurch, daß

— die Arbeitsgeschwindigkeit der Verarbeitungsmaschine auf die gewinnbptimale Arbeitsgeschwindigkeit (nc) eingestellt wird, wenn ·

eine mittlere Speicherbelegung vorhanden ist und/oder

eine gleichbleibende Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr vorliegt und

— die Arbeitsgeschwindigkeit auf die kostenoptimale Arbeitsgeschwindigkeit (n_K) eingestellt wird, wenn

• die mittlere Speicherbelegung unterschritten wird und/oder

die Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr unter einen festgelegten Gradienten sinkt und

— die Arbeitsgeschwindigkeit aisi die produktivitätsoptimale Arbeitsgeschwindigkeit (n_o) eingestellt wird, wenn

die mittlere Speicherbelegung überschritten wird und/oder

die Tendenz der Verarbeitungsgutzufuhr über einen festgelegten Gradienten steigt.
2. Verfahren zur Steuerung von Verarbeitungsmaschinen nach optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Veränderung der Arbeitsgeschwindigkeit von der gewinnoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit (n_G) auf die produktivitäts- bzw. kostenoptimale Arbeitsgeschwindigkeit (n₀, n_K) durch Annäherung an den Grenzwert in Intervallen oder stetig erfolgen kann.
3. Verfahren zur Steuerung der Verarbeitungsgutzufuhr von Verpackungsmaschinen nach optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Speicherbelegung über Sensoren ermittelt wird.

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