DE102005020867A1

DE102005020867A1 - Verfahren zur Bestimmung der Produktionskosten

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Publication number: DE102005020867A1
Application number: DE200510020867
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. Pichler; Dietmar Dipl.-Ing. Dr. Auzinger
Original assignee: Voest Alpine Industrienlagenbau GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-04
Publication date: 2005-12-15
Also published as: CN1700228A; AT500374A3; AT500374A2; AT500374B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Produktionskosten eines Produktionsvorganges für ein bestimmtes Produkt, wobei aus Produkteigenschaften und aus Modellen, welche den Zusammenhang zwischen Produkteigenschaften, Produktionsmitteln und vorgegebener Kosten für die Produktionsmittel beschreiben, die Erzeugungskosten des Produktes berechnet werden. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest für einen Produktionsschritt mittels zumindest eines Prozessmodells aus Produkteigenschaften und Produktionsbedingungen als Eingangsgrößen die durch diesen Produktionsschritt geänderten Produkteigenschaften bestimmt werden und diesen geänderten Produkteigenschaften aufgrund der Modelle ein Anteil der in diesem Produktionsschritt für das Produkt angefallenen Erzeugungskosten zugeordnet wird und diese Erzeugungskosten auf die Produktions- und/oder Betriebzeit und die Menge des erzeugten Produktes bezogen werden.

Description

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Produktionskosten eines Produktionsvorganges für ein bestimmtes Produkt, wobei aus Produkteigenschaften und aus Modellen, welche den Zusammenhang zwischen Produkteigenschaften, Produktionsmitteln und vorgegebener Kosten für die Produktionsmittel beschreiben, die Erzeugungskosten des Produktes berechnet werden.
Die Erfindung kann auf verschiedenste Produktionsvorgänge angewendet werden, ist aber besonders geeignet für solche Produktionsvorgänge, bei denen die Beschaffenheit der Produkte variiert werden kann, wie z.B. Hüttenwerke, die auf den stets gleichen Anlagen Metall zu Produkten mit unterschiedlicher Abmessung, Härte, Zusammensetzung, ... verarbeiten.

Heute hat mehr oder minder stark ausgeprägt jedes Hüttenwerk eine Kostenerfassung und Kostenrechnung, auf denen die Zuordnung der Erzeugungskosten zu verkaufsfähigen Endprodukten beruht. Die Erzeugungskosten werden aber in der Regel als Gesamtsummen ermittelt und mehr oder minder nach heuristischen Schlüsseln auf die erzeugten Produkte aufgeteilt. Die genaue Kostenverursachung die sich aus den produktspezifischen Anforderungen ergeben, finden dabei keine Berücksichtigung. Meist erfolgt die Aufteilung der Kosten nach dem Kostenstellenprinzip immer basierend auf den Ergebnissen des Vorgängerjahres der Produktion.

Im Artikel „Activity Based Product Cost Calculation of Hot Rolled Steel Plates", Pesonen L., CIM in Process and Manufacturing Industries, IFAC Workshop, Espoo, Finland, 1992, ist ein Verfahren dargestellt, mit welchem die Kosten für ein Produkt im Voraus berechnet werden können. Dazu wird aus einem Modell für die vorhersehbaren bzw. bestimmbaren Kosten unter Verwendung von in einer Datenbank gespeicherten Produktdaten ein Kostenanteil bestimmt. Zu diesem Kostenanteil werden mutmaßliche (vom Zufall abhängige Kosten) aus empirischen Statistiken hinzugeschlagen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, das Verfahren so zu verbessern, dass die tatsächlichen Produktionsbedingungen besser berücksichtigt werden.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 gelöst.

Als Produkt wird hier einerseits ein einzelnes bestimmtes Produkt oder eine Produktklasse, die aus mehreren gleichen Produkten besteht, bezeichnet, also etwa ein bestimmtes Walzgut (Band) oder eine Abfolge von gleichen Bändern.

Unter Produkteigenschaften versteht man jeweils für den Rohstoff, etwaige Zwischenprodukte und Endprodukte beispielsweise die Abmessungen, Masse oder Dichte, spezifische Wärme, Härte, Temperatur, bei Hüttenwerken insbesondere die Zunderschichtdicke, Temperaturabhängigkeit der Zunderbildung, Zeitabhängigkeit der Zunderbildung, Temperaturabhängigkeit der Härte, Ausbringungsverluste, Schrottverluste, Bearbeitungszugaben, usw..

Produktionsbedingungen sind jene Größen, welche die Produktionsanlage beschreiben (Anlagenbedingungen) und Bedingungen, denen das Produkt während der Produktion ausgesetzt ist, z.B. die Umgebungstemperatur. Anlagenbedingungen sind etwa die Leistungsaufnahme der Anlage (Energieverbrauch), der Wirkungsgrad, die Produktionszeit, bei Hüttenwerken insbesondere die Walzkraft in einem Walzgerüst.

Produktionsmittel sind Energie (Strom), Rohstoffe für die Produkte, Produktionsanlagen, Produktionshallen, Personal. Kosten für die Produktionsmittel sind Energiekosten, Kosten für Rohstoffe, Anschaffungs-, Instandhaltungs- und Reparaturkosten für Produktionsanlagen, Miete für Produktionshallen, Personalkosten und Ähnliches.

Dadurch, dass bei dieser Erfindung der Produktionsprozess selbst zumindest teilweise nachgebildet wird, können die einzelnen Produkteigenschaften als unterschiedliche Ergebnisse des Produktionsprozesses getrennt in die Kostenbewertung einfließen. Wird etwa die Zunderbildung in einem Prozessmodell nachgebildet, so kann die Produkteigenschaft „Zunderschichtdicke" berechnet werden und dieser ein entsprechender Anteil an den Produktionskosten zugeordnet werden. Wenn nun die Produktionsbedingungen geändert werden, kann dies einen Einfluss auf die Zunderschichtdicke und damit auf den Kostenanteil der Zunderschicht an den Kosten für das Produkt haben. Auf diese Weise kann aufgezeigt werden, welche Reduzierung des Anteils an den Gesamtkosten zu erreichen sind, wenn bestimmte Produktionsbedingungen oder Produkteigenschaften geändert werden.

Entsprechende Modelle, die den Produktionsprozess nachbilden, sind dem Fachmann auf dem jeweiligen Gebiet bekannt und zudem der Fachliteratur zu entnehmen, sodass auf diese hier nicht weiter eingegangen wird.

Ein Ziel der Erfindung ist weiters, zusätzlich zu den Produktionskosten den erzielbaren Gewinn bzw. Deckungsbeitrag aufgrund der bekannten Produktpreise für jedes Produkt zu berechnen. Zur Gewinnoptimierung ist die Bereitstellung der objektiven und korrekten Basisdaten notwendig. Z.B. ist in einer voll ausgelasteten Anlage nicht der Gewinn pro Tonne sondern der Gewinn pro Zeiteinheit, der mit verschiedenen Produkten erzielt werden kann, von Interesse. Basierend auf dieser Information ist es möglich, mathematische Optimierungsalgorithmen zu verwenden, um die Produktion zu optimieren. Da es schwierig oder sogar unmöglich ist, alle Einschränkungen, welche für ein bestimmtes Produktionsspektrum existieren, zu berücksichtigen, ist eine interaktive Optimierung durch die Eingaben des Anlagenbetreibers und der Verkaufsabteilung sinnvoll und möglich. Dieses Verfahren kann durch spezielle mathematische Verfahren unterstützt werden.

Die Erfindung unterstützt die Optimierung der Profitabilität für alle Prozessschritte einer gesamten metallurgischen Anlage und ist nicht auf einzelne Prozessschritte beschränkt. Es kann sogar ein größerer Nutzen bei der Anwendung auf die aufeinanderfolgenden, verbunden Prozessschritte bestehend aus Kokerei, Sinteranlage, Hochofen, Einschmelzvergaser, Stahlwerk, Sekundärmetallurgie, Stranggussanlage, Warmwalzen, Kaltwalzen, Bandbehandlung, Rohmaterial- und Fertigmaterialadjustagen und -lager usw. erzielt werden. In diesem Fall kann ein globales Optimum für eine gesamte Hüttenanlage ermittelt werden. Die Erfindung kann selbstverständlich auch vorteilhaft auf einzelne dieser Anlagen oder Teile von Einzelanlagen angewendet werden.

Neben den leicht zu bewertenden direkten Kosten wie Rohmaterialkosten ist die Bewertung der indirekten Kosten wie z.B. Störkosten, Kosten durch Materialabwertungen etc., von speziellem Interesse. Z.B. steigt die Störrate in einer Breitbahnstraße bei der Produktion dünner Bänder stark an. Der Grund dafür ist die höhere Instabilität des Walzprozesses beim Walzen dünner Bänder. Weiters sind die Produktionskosten für dünne Bänder höher, weil dabei einfach mehr Energie benötigt wird und die Walzzeit länger ist. Speziell die Walzzeit ist der am meisten limitierende Faktor in einer Breitbandstraße. Dieser Aspekt muss betrachtet werden bei der Entscheidung, ob die Produktion von dünnen Bändern ökonomisch Sinn macht.

Ein Ansatz, wie die Profitablität gemessen werden kann, ist z.B. der sogenannte ROE (= return on equity), welcher wie folgt berechnet werden kann: Gewinn/Kapitaleinsatz = Gewinn/Umsatz × Umsatz/Anlagevermögen × Anlagevermögen/Kapitaleinsatz (1)
Insbesondere sind die Faktoren Gewinn/Umsatz und Umsatz/Anlagevermögen die wichtigen beeinflussbaren Faktoren. Der Faktor Gewinn/Umsatz gibt Aufschluss darüber, wie viel mit einer Tonne produziertem Material verdient werden kann. Der Faktor Umsatz/Anlagevermögen gibt Aufschluss darüber wie viel Tonnen Material mit der Anlage produziert werden können.
Im weiteren wird der Ausdruck Gewinn synonym für EBIT (=earnings before interest and tax) bzw. gleichbedeutend das operative Betriebsergebnis verwendet. Der Gewinn berechnet sich wie folgt Gewinn = Gross-Margin – Overheadkosten (2)mit Overheadkosten = Vertriebskosten + Administrationskosten + andere Betriebsausgaben (3)
Obwohl die Reduktion der Overheadkosten in vielen Fällen ein wichtiges Ziel zur Erhöhung der Profitablität ist, wird der Schwerpunkt bei den Betrachtungen auf solche Faktoren gelegt, die durch das Produktionsprogramm beeinflusst werden können.
Der totale Gross-Margin für eine Produktionslinie kann als die Summe aller Deckungsbeiträge aller produzierten Materialien abzüglich der Fixkosten dargestellt werden. Gross-Margin = Σ Deckungsbeiträge/Tonne – Fixkosten (4A)
Die nachstehende Beziehung vervollständigt das Bild Deckungsbeitrag/Tonne = Preis/Tonne – variable Kosten (4B)
Die Fixkosten beinhalten zum Beispiel die Arbeitskosten (=Personalkosten), Wartungskosten, Versicherungskosten, Energiebereitstellungskosten und allgemeine Overheadkosten. Diese Kosten sind unabhängig davon, wieviel Material in der Anlage produziert wird.
Die variablen Kosten beinhalten Rohmaterialkosten (welche auch die Ausbringungskosten beinhalten können), Kosten für Verbrauchsmaterialen und Betriebswechselteile (z.B. Elektroden, Ausmauerungen, Walzen, Scherenmesser, Rollen), direkte Energiekosten (z.B. für das Schmelzen, Frischen, Verformen, Erwärmen, Abkühlen des Produkts...) und Energiekosten für Nebenanlagen (z.B. für Transporteinrichtungen, Rollgänge, Kühlwasser, Druckluft, etc.), welche alle proportional zu der Menge des produzierten Materials sind.
Unter der Annahme, dass ein Produkt A einem Deckungsbeitrag von 70 EUR pro Tonne und ein Produkt B 60 EUR pro Tonne generiert, stellt sich die Frage, ob das Produkt A wirklich profitabler als das Produkt B ist, wie es auf den ersten Blick erscheint. Wenn zum Beispiel das Produkt B mit einer Rate von 1000 Tonnen pro Stunde im Gegensatz zu 800 Tonnen pro Stunde für das Produkt A produziert werden kann, beträgt der Deckungsbeitrag von A 56.000 EUR pro Stunde und der von B 60.000 EUR pro Stunde. Das heißt B liefert einen um 4000 EUR höheren Gewinn pro Stunde.
Basierend auf diesen Betrachtungen ist es klar ersichtlich, dass der Durchsatz in die Betrachtungen einfließen muss. Gross-Margin = Σ Deckungsbeitrag/Zeit – Fixkosten (5A) Deckungsbeitrag/Zeit = Deckungsbeitrag/Tonne × Tonnen/Stunde = (Preis/Tonne – variable Kosten/Tonne) × Tonnen/Stunde (5B)
In anderen Worten, der Anlagenbetreiber verkauft seinen Kunden nicht das Material pro Tonne, sondern er verkauft vielmehr die Produktions- bzw. Betriebszeit seiner Anlage. Daher ist das entgültige Ziel für die Optimierung einer Produktionsanlage die Optimierung des Gewinnes (bzw. des Gross-Margins oder des Deckungsbeitrages) pro produzierte Tonne (statischer Gewinn) und pro benötigter Produktions- bzw. Betriebszeit (dynamischer Gewinn).
Im Weiteren werden diese Betrachtungen anhand einer Warmbreitbandstraße durchgeführt, welche eine typische Anlage in einem Hüttenwerk darstellt. Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die selben Überlegungen für alle anderen Anlagen im Bereich der Hüttenindustrie und natürlich für alle anderen Produktionsbetriebe überhaupt gelten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann online ausgeführt werden, indem während der Produktion Produkteigenschaften und/oder Produktionsbedingungen gemessen, die geänderten Produkteigenschaften bestimmt, die Erzeugungskosten zugeordnet und diese durch die Produktions- oder Betriebszeit und die Menge des erzeugten Produktes dividiert werden. Es werden dabei einerseits die direkt erfassbaren Erzeugungskosten (z.B. Energieverbrauch der Anlage) für ein Produkt erfasst und zugeordnet und andererseits die restlichen Erzeugungskosten (z.B. die der Zunderbildung entsprechenden Kosten) aus den gemessenen Erzeugungsparametern berechnet. Dabei werden etwa in Form eines Computerprogramms, in welches Anlagen- und Prozesssteuerungsalgorithmen eingebunden sind, schritthaltend mit dem Erzeugungsprozess Prozessparameter gemessen und mit Hilfe der Anlagen- und Prozesssteuerungsalgorithmen ausgewertet.
Es kann vorgesehen werden, dass Produktionsbedingungen eines Produktionsschrittes über mehrere Produkte hinweg aufgezeichnet und daraus laufend angepasste Produktionsbedingungen als Eingangsgrößen bestimmt werden.
Dies kann vor allem für jene Produktionsbedingungen angewendet werden, die Ereignisse berücksichtigen, die nicht bei jedem Produkt auftreten, wie etwa ein Bandstau in einer Walzanlage, der mittels einer Bandstaurate Eingang in das erfindunsgemäße Verfahren findet. Für eine Produktklasse, die aus gleichartigen Produkten besteht, wird laufend aufgezeichnet, ob bei einem Produktionsschritt bei einem bestimmten Produkt ein Bandstau auftritt. Aus der Menge des bis zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Produkte einer Produktklasse und der Anzahl der dabei aufgetretenen Bandstaus kann immer eine aktualisierte Bandstaurate bestimmt werden. Diese wird etwa sinken, wenn im Vergleich zur Vergangenheit relativ weniger Bandstaus auftreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch offline verwendet werden, indem die Ermittlung und Zuordnung der relevanten Kosten basierend auf einer Simulation des Erzeugungsprozesses Produktweise erfolgt. Dabei werden Produkteigenschaften und/oder Produktionsbedingungen durch Simulation berechnet, wobei gegebenenfalls vorhandene Messwerte als Produkteigenschaften und/oder Produktionsbedingungen verwendet werden. So können etwa Messwerte aus ähnlichen Anlagen hierzu verwendet werden. Insbesondere können die im Online-Verfahren gewonnenen Daten zur Beschreibung der variablen Kosten und Produktivität für die Offline-Version verwendet werden. Auch das Offline-Verfahren wird vorteilhaft als Computerprogramm implemeniert.
Insbesondere ist es für einen Investor oder einen Anlagenbauer wichtig, den zu erwartenden Gewinn für eine geplante Anlage mit der Offline-Version zu berechnen bzw. zu optimieren.
Vor allem bei der online-Ausführung ist es von Vorteil, wenn in der Produktionsanlagensteuerung eingebundene Prozessmodelle verwendet werden. Da zur Steuerung und Optimierung der Produktionsanlagen sowieso Modelle bzw. Algorithmen vorhanden sind, um Anlagen und Prozesse zu steuern, können diese Modelle bzw. Algorithmen auch für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. In der Regel sind diese Modelle bzw. Algorithmen ebenfalls als Computerprogramme implementiert.
Es kann also die Erfindung als Standard-Online-Funktion der Prozessoptimierung verwirklicht werden. Diese stellt eine ausgezeichnete Plattform für die Erfindung dar, da alle erforderlichen Eingangsdaten auf diesen Systemen schon vorhanden sind. Mit dieser Funktion wird dem Betriebsleiter ein Abbild der direkten Produktionskosten bzw. gleichbedeutend der variablen Kosten pro Zeit und pro Tonne für jede erzeugte Materialgruppe gegeben.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf einer vom betrachteten Erzeugungsprozess (deren Steuerungsanlage und/oder Produktionsanlage) unabhängigen Automationsanlage durchgeführt werden.
Beide Versionen (offline und online) basieren auf den selben Prinzipien mit dem Unterschied, dass in der Offline-Version alle Eingangsdaten berechnet werden müssen, welche in der Online-Version direkt gemessen werden können (z.B. Energieverbräuche).
Weiter ist es wichtig zu beachten, dass die Parameter, welche aus der Online-Version gewonnen werden (z.B. die Störrate), auch in der Offline-Variante genutzt werden. Damit ist auch für die Offline-Variante gewährleistet, dass realistische und praxisnahe Annahmen getroffen werden.
Im Weiteren werden die Eingabedaten, Parameter und Beziehungen, welche zur Berechnung der variablen Kosten und Produktivität erforderlich sind, für die Anwendung der Erfindung beim Warmwalzen bespochen.
Das Problem in einer Warmbreitbandstraße ist die Zuordnung der Produktionszeit zu den produzierten Materialien, da mehrere Materialien zur selben Zeit in der Anlage sind. Zum Beispiel können in einem Erwärmofen bis zu 30 Brammen zur selben Zeit aufgewärmt werden. Darüber hinaus beeinflussen sich die zu erwärmenden Materialien gegenseitig. Wenn z.B. eine Bramme A warm eingesetzt wird, so könnte diese sehr viel schneller als eine Bramme B die kalt eingesetzt wird, den Erwärmofen durchlaufen. In diesem Fall verlangsamt aber die Bramme B auch die Durchsatzgeschwindigkeit der Bramme A da auch die Bramme B ausreichend erwärmt werden muss. Eine ähnliche Situation kann auftreten, wenn in einer hoch ausgelasteten Fertigstraße die Walzung eines Bandes das Antriebssystem an die thermischen Grenzen gebracht hat. In diesem Fall müssen die nachfolgenden Materialien langsamer gewalzt werden, damit sich das Antriebssystem thermisch erholen kann. Im Falle der Online-Betrachtung kann ein einfacher Ansatz gewählt werden, der die mittlere Zeit zwischen dem Austragen zweier aufeinanderfolgender Brammen als Produktionszeit für eine Materialart annimmt.
Mit diesem Verfahren ist auch sichergestellt, dass die gesamte Produktionszeit die Summe aller Einzelproduktionszeiten ist. Die Zeiten für geplante Wartungsarbeiten, Walzenwechsel oder allgemeine Störungen, welche keinem Material zugeordnet werden können (z.B. Ausfall des Antriebssystems), werden als allgemeine Stillstandszeiten gezählt.
Die verschiedenen zeitbezogenen Begriffe sind wie folgt definiert: Die Kalenderzeit enspricht 365 Tage × 24 Stunden und unterteilt sich in Betriebszeit und in produktionsfreie Zeit (z.B. wenn nur 5-Tages-Produktion oder nur Tagschichtproduktion vorgesehen ist). Die geplante Stillstandszeit und Produktionszeit ergibt die zur Verfügung stehende Betriebszeit, Betriebszeit = gesamte Brutto-Produktionszeit + geplante Stillstandszeit (z.B. 1 Schicht/Woche für Wartung) (6),wobei sich die Brutto-Produktionszeit aus der Netto-Produktionszeit plus ungeplanter Störzeiten (z.B. Stillstand verursacht durch Bandriss etc.) ergibt. Als Störzeiten werden allgemeine nicht zuordenbare Störzeiten und technologisch verursachte Störzeiten angesehen.
Technologisch verursachten Störungen, z.B. die Zeit, die notwendig ist, um eine Störung an der Anlage zu beseitigen, die durch zu hohe Anforderungen an den Walzprozess aufgetreten ist, werden den verursachenden Materialien zugeordnet.
Im Falle der Offline-Version wird eine Engpassbetrachtung für den Erwärmungsofen, die Vorstraße, die Fertigstraße, den Haspel und den Bundabtransport gemacht. Die daraus resultierende Stückfolgezeit wird als Produktionszeit der einzelnen Materialien verwendet. Diese Engpassbetrachtung basiert im wesentlichen auf einer Erwärmungssimulation für den Erwärmofen und einer Stichplanrechnung für die Walzstraße.
Für diese Simulationsberechnungen können die Set-up-Funktionen, wie diese für die technologische Optimierung der Anlage im Online-Betrieb verwendet werden, herangezogen werden. Normalerweise ist es aber auch ausreichend, vereinfachte Modellansätze zu verwenden. Diese haben den Vorteil einer kurzen Berechnungszeit, welche für den Einsatz überlagerter Optimierungsalgorithmen wichtig sind. Für den Offline-Fall ist es auch wichtig die spezifischen Störungen für einzelne Produktklassen abzuschätzen z.B. ist die Störrate in der Fertigstraße sehr stark abhängig von der Materialenddicke, -breite und -härte. Produktionszeit/Tonne = (Netto-Produktionszeit/Material + Störrate/Material × Störzeit)/Materialgewicht (7)
Die Parameter für die Störungen, wie der Anteil der verwalzten Bänder aus einer bestimmten Produktionsgruppe und die Zeit zur Beseitigung der Störung, können aus der Online-Version gewonnen werden und in der Offline-Version verwendet werden.
Die variablen Kosten beinhalten im Wesentlichen

– Energiekosten zum Walzen und Erwärmen
– Energiekosten für Nebenanlagen wie Rollgänge, Kühlwasser, Druckluft etc.
– Walzenkosten
– Brammenkosten

Die Energie zum Umformen (Walzen) kann mit Hilfe eines Stichplanmodells berechnet werden.
Für die Energiekosten zum Erwärmen der Brammen ergibt sich eine ähnliche Situation wie bei der Berechnung der Produktivität, da mehrere Brammen zum gleichen Zeitpunkt erwärmt werden. Im Online-Fall kann die benötigte Energie zur Wärmung der Brammen wie folgt berechnet werden: Wärmemenge/Tonne = mittlerer Brennstoffverbrauch/Stunde × Brammenerwärmzeit/mittlere totale Masse der Brammen im Ofen (8)
Der Energieverbrauch während der regulären Wartungszeit kann unter Fixkosten gebucht werden. Energieverbräuche, die während allgemeiner Störungen anfallen, müssten auf alle Brammen verteilt werden. Energieverbräuche, die durch Störungen durch bestimmte Materialien verursacht werden, müssen diesen Brammen zugeordnet werden. Im Offline-Fall kann ein vereinfachter Ansatz verwendet werden, der sich aus der theoretisch erforderlichen Wärmemenge, die zur Erwärmung der Bramme notwendig ist, multipliziert mit einem Wirkungsgrad ergibt. Der Wirkungsgrad hängt unter anderem von der Erwärmcharakteristik des zu erwärmenden Materials und der Brammendurchlaufzeit ab.
Die Walzenergie, welche für ein bestimmtes Material benötigt wird, kann im Online-Fall direkt gemessen werden. Im Offline-Fall kann diese Energie aus der Stichplanrechnung ermittelt werden. Die Energie für Hilfseinrichtungen können im Online-Fall direkt gemessen werden. Für den Offline-Fall können diese Erfahrungen verwendet werden.
Jeder Walzkilometer der gewalzten Materialien trägt zum Verschleiß der Arbeitswalzen und der Stützwalzen bei. Nach einer bestimmten gewalzten Länge müssen die Walzen gewechselt und geschliffen werden. Die maximal mögliche Walzlänge hängt im Wesentlichen von der gewalzten Länge, dem gewalzten Material, dem Walzenmaterial und den Kühl- und Schmiermittelbedingungen ab, sodass der Walzenverschleiß in Abhängigkeit von diesen Größen ermittelt werden kann. Die Kosten für das Schleifen und für die Anschaffung von neuen Walzen können anteilsmäßig auf die produzierten Mengen umgelegt werden.
Die Kosten des Rohmaterials, in diesem Fall die Brammenkosten, sind leicht zu bewerten. Trotzdem ist es wichtig in diesem Zusammenhang auch die Ausbringung zu betrachten. Diese beinhaltet

– Zunderbildung speziell im Erwärmofen und in der Vorstraße
– Breitenzugabe um die Endbreite sicher zu erreichen
– Schopfverluste an Materialkopf und – fuß
– Materialverluste durch Fehlwalzungen
– Materialverluste durch Materialausfall durch Überschreitung der Toleranzen
– Abwertung durch Überschreiten der Toleranzen

Alle oben genannten Effekte können mit Faktoren beschrieben werden, welche mit dem Online-Modell direkt gemessen werden können.
Materialabwertungen durch Überschreitung von Toleranzfeldern für Dicke, Profil, Planheit, Endwalztemperatur, Haspeltemperatur, reduzieren den erzielbaren Verkaufspreis und damit den Deckungsbeitrag der betroffenen Materialien. Auch hier ist mit dem Online-Modell, wenn die entsprechenden Toleranzfelder bekannt sind, eine direkte Erfassung der Ertragsminderung möglich.
Die restlichen Produktionskosten wie

– Personalkosten
– Wartungskosten
– allgemeine Overheadkosten

Die Grenze zwischen Fixkosten und variablen Kosten ist grundsätzlich fließend, da manche variable Kosten aus Vereinfachungsgründen zu den Fixkosten gezählt werden können (z.B. Energiekosten für Hilfsanlagen).
Sogar wenn nur die variablen und fixen Kosten bekannt sind, stellt dies eine wertvolle Information für den Anlagenbetreiber dar. Basierend auf diesen Informationen kann die Reduktion der Produktionskosten durch Anlagenverbesserungen bewertet werden. Z.B. kann die Frage objektiv beantwortet werden, um wie viel die Installation einer hydraulischen Breitenregelung, welche die Breitenzugabe reduzieren hilft, die Produktionskosten senkt.
Ähnlich der Anlagenoptimierung hat die Verbesserung des Betriebes einen Einfluss auf die variablen und fixen Kosten. Die Verbesserung und Optimierung des Anlagenbetriebes erfordert eine objektive Datenbasis für die Betriebsparameter, welche durch die Erfindung bereitgestellt wird. Z.B. ist es so leicht möglich zu berechnen, wie viel eine Reduktion der Wartungszeit oder der Störzeit für die Produktionskosten bringt. Für diese Optimierung ist der kritische Punkt der, dass die relevanten Parameter kontinuierlich bewertet und aufgezeichnet werden. Ohne diese Vorrausetzung ist eine konsistente Verbesserung nicht möglich.
Mit der Erfindung ist auch die Optimierung der gesamten Profitabiliät möglich. Dies kann erreicht werden durch:

– Optimierung des Produktspektrums
– Optimierung der Preispolitik
– Optimierung der Produktionsbedingungen

Natürlich ist es nicht möglich, das Produktionsprogramm auf das profitabelste Produkt zu reduzieren, da der Anlagenbetreiber auf seine Kunden, die normalerweise einen Bedarf an einer breiten Produktpalette haben, Rücksicht nehmen muss. Trotzdem kann die Produktpalette basierend auf der Kenntnis des Gewinns pro Zeiteinheit schrittweise optimiert werden und die Produkte mit dem niedrigsten Beitrag aus der Produktion genommen werden und diese z.B. zugekauft werden. Darüber hinaus kann diese Information im täglichen Betrieb verwendet werden, um z.B. zu entscheiden, ob ein kurzfristiger Produktionsauftrag in die Produktion aufgenommen werden soll.
Die Erfindung bietet auch die Möglichkeit der Reduktion der Produktionskosten für kritische Produkte. Normalerweise ist die selektive Reduktion der Produktionskosten für ein einzelnes Produkt, das auf einer einzigen Anlage produziert wird, nicht möglich, da jede Verbesserung auch andere Produkte betrifft, was in jedem Fall gut für die Gesamtprofitabiliät ist. Hingegen ist es in einer integrierten Produktionsanlage, welche mehrere verschiedene Produktionswege für ein Produkt ermöglicht, möglich die Produktionskosten durch die Wahl einer optimalen Produktionsroute zu verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für zumindest einen der folgenden Vorgänge allein oder in Kombination mit anderen dieser Vorgänge verwendet werden: Eisenerzeugung, Stahlerzeugung, Stranggiessen, Erwärmung, Warmwalzen, Kaltwalzen, Veredelung, Lagerung und Transport. Beispielsweise kann ein gesamter metallurgischer Erzeugungsprozess von der Stahlerzeugung bis zur Lagerung und zum Transport eines gewalzten Produkts bewertet werden.
Das Verfahren wird in der Regel mittels eines Computerprogramms implementiert und durchgeführt, wobei die Offenbarung der Erfindung der Offenbarung der zugehörigen Programmlogik entspricht. Dabei kann das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegende Computerprogramm auf Automatisierungseinrichtungen installiert werden, welche die Steuerung und/oder Regelung der Anlage bzw. der Produktionsprozesses durchführt.
Das Computerprogramm kann aber auch auf Automatisierungseinrichtungen installiert werden, mit welcher die Produktionsplanung und -steuerung der Anlage bzw. des Produktionsprozesses durchgeführt wird.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Ergebnisse des Zuordnungsprozesses für das Anlagenpersonal, das Betriebsleitungspersonal sowie das Werk- und Investitionsmanagement visualisiert – etwa auf Anzeigeeinrichtungen während des Produktionsvorganges – und dokumentiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Programm können nicht nur die Gesamtkosten des Endprodukts, welche alle Produktionsschritte umfasst, oder die Kosten des Produktes in den einzelnen Produktionsschritten ermittelt, sondern für jeden Produktionsschritt die Teilkosten, die bestimmten Produkteigenschaften oder Produktionsbedingungen zuordenbar sind. Es können somit nicht nur die Gesamtkosten, sondern auch die Kostenstruktur berechnet werden.
Bestimmte Produktionsbedingungen, insbesondere Anlagenbedingungen, können auch beim erfindungsgemäßen Verfahren pauschal bewertet werden, da hierfür eine Zuordnung zu einem bestimmten Produkt keinen Sinn macht, wie etwa bei den Personalkosten oder den Kosten für die Instandhaltung der Anlage.
Die Erfindung wird anhand des Beispiels der Produktion eines Warmbandes aus einer Bramme näher erläutert: für die Produktion eines Warmbandes wird ein Offline-Verfahren vorgestellt, das folgende allgemeine Eingangsgrößen benötigt:
Produkteigenschaften:

Brammendicke, Brammenbreite, Brammenlänge,
Eingangstemperatur der Bramme (in den Erwärmofen),
Austrittstemperatur der Bramme (aus dem Erwärmofen),
Dichte der Bramme (kg/m³),
spezifische Wärme der Bramme (J/kg/K);
Brammendicke, Brammenbreite, Brammentemperatur,
Härte des Referenzmaterials für die Bramme (N/mm²) und Temperaturkoeffizient der Härte.

Anlagenbedingungen:

Abschreibungszeitraum der Anlage (in Jahren);
Betriebszeit pro Jahr,
Zeit für Hauptwartung,
Anzahl der wöchentlichen Wartungszeiten.

Kosten der Produktionsmittel:

Kosten der Bramme,
Energiekosten für elektrische Energie (EUR/GJ),
Schrottpreis (EUR/t),
Personalkosten bezogen auf die Produktionsmenge (Tonnen/Jahr).

Für die einzelnen Produktionsschritte Vorwärmen (reheating furnace), Vorwalzen (roughing mill), Fertigwalzen (finishing mill) werden die folgenden Eingangsgrößen benötigt:
Erwärmen:
Produkteigenschaften:

Referenzwert der Zunderschichtdicke (in % von der Brammendicke),
Temperaturkoeffizient der Zunderbildung (%/°C),
Zeitkoeffizient der Zunderbildung (%/min).

Anlagenbedingungen:

Störungsrate (% von theoretischer Betriebszeit);
Stillstandszeiten während Störung
installierte thermische Leistung des Vorwärmofens (GJ/h),
Wirkungsgrad des Vorwärmofens bezogen auf die Brammenlänge (1/m),
Wirkungsgrad des Vorwärmofens bezogen auf die Durchlaufzeit der Bramme (1/min)
Referenzheizdauer (min)
Wärmekoeffizient der Heizdauer (min/°C)
Brammendicken-Koeffizient der Heizdauer (min/m)
installierte elektrische Leistung (kW)
Koeffizient für die Nutzung der elektrischen Leistung (%).

Kosten der Produktionsmittel:

Kosten für thermische Energie (EUR/GJ).

Vorwalzen:
Produkteigenschaften:

Referenzwert der Zunderschichtdicke (in % von der Brammendicke),
Temperaturkoeffizient der Zunderbildung (%/°C),
Zeitkoeffizient der Zunderbildung (%/sec),
Bandverluste an Beginn und Ende des Bandes (m)
Breite des zu entfernenden Randes (m)

Anlagenbedingungen:

Störungsrate (% von theoretischer Betriebszeit);
Arbeitswalzenradius (m)
Koeffzient für Arbeitswalzenverformung
Koeffzient für Drehmoment
Walzwirkungsgrad
Durchschnittsgeschwindigkeit pro Stich (m/sec)
Transportier- und Reversierdauer (sec)
installierte elektrische Leistung (kW)
Koeffizient für die Nutzung der elektrischen Leistung (%).

Kosten der Produktionsmittel:

Investitionskosten für Anlage (EUR),
Verwaltungskosten für Anlage (EUR/Jahr),
Personalkosten (Betrieb und Wartung getrennt),

Fertigwalzen:
Produkteigenschaften:

Austrittstemperatur des Bandes,
Banddicke,
Bandbreite,
Referenzwert der Zunderschichtdicke (in % von der Banddicke),
Temperaturkoeffizient der Zunderbildung (%/°C),
Zeitkoeffizient der Zunderbildung (%/sec),

Anlagenbedingungen:

Störungsrate (% von theoretischer Betriebszeit),
Bandstau: Bandstaurate (Anzahl der Ereignisse/t),
Bandstau: Dickenfaktor der Bandstaurate (Anzahl der Ereignisse/t/mm),
Bandstau: Behebungsdauer (h)
Arbeitswalzenradius (m)
Koeffzient für Arbeitswalzenverformung
Koeffzient für Drehmoment
Walzwirkungsgrad
Durchschnittliche Walzgeschwindigkeit (m/sec)
installierte elektrische Leistung (kW)
Koeffizient für die Nutzung der elektrischen Leistung (%).

Kosten der Produktionsmittel:

Zusammenhang zwischen Abweichungen vom Sollwert und Kosten:

Koeffizient für Dickenabweichung (%)
Koeffizient für Planheitsabweichung (%)
Koeffizient für Profilabweichung (%)
Koeffizient für Breitenabweichung (%)
Koeffizient für Temperaturabweichung (%)
Bandverluste an Beginn und Ende des Bandes (m)
Preisabweichungsfaktor (%)

Aus diesen Eingangsdaten lassen sich folgende Zwischenergebnisse, insbesondere geänderte Produkteigenschaften berechnen:
zur Verfügung stehende Produktionszeit

Brammengewicht
Gesamtwartungszeit
wöchentliche Wartungszeit
tatsächlicher Wirkungsgrad für Vorwärmung
tatsächliche Zunderschichtdicke (Vorwärmung)
tatsächliche Vorwärmzeit
Störungszeit (Vorwärmung)
tatsächliche Materialhärte
Verformungsarbeit (Vorwalzen)
tatsächliche Zunderschichtdicke (Vorwalzen)
Walzdauer
Störungszeit
tatsächliche Bandstaurate (Fertigwalzen)
durchschnittliche Materialhärte
Verformungsarbeit (Fertigwalzen)
tatsächliche Zunderschichtdicke (Fertigwalzen)

Und daraus lassen sich für die einzelnen Produktionsschritte die folgenden Kosten berechnen:
Erwärmen (Vorwärmofen):

elektrische Energie
Verluste durch Zunder
Störungen
Betrieb
Wartung
Abschreibung

Vorwalzen:

elektrische Energie zum Walzen
sekundäre elektrische Energie
Verluste durch Zunder
Bandverluste an Beginn und Ende des Bandes
Störungen
Betrieb
Wartung
Abschreibung

Fertigwalzen:

elektrische Energie zum Walzen
sekundäre elektrische Energie
Verluste durch Zunder
Toleranzabweichungen
Störungen
Bandstau
Betrieb
Wartung
Abschreibung

Die oben genannten Parameter sind nur beispielhaft für die Erfindung anzusehen; es können selbstverständlich Parameter weggelassen und/oder hinzugefügt werden.
Mit der gegenständlichen Erfindung ist eine Erfassung bzw. Berechnung und Zuordnung aller relevanten Erzeugungskosten nach dem Verursacherprinzip basierend auf den Produkteigenschaften, den Erzeugungsbedingungen und den Anlagenbedingungen für jedes einzelne erzeugte Produkt bzw. für eine Klasse von Endprodukten möglich.
Das Ergebnis dieses Zuordnungsprozesses ist die genaue und objektive Zuordnung der Erzeugungskosten für jedes erzeugte Produkt bzw. Produktklasse, welche vom Betreiber benutzt werden kann, um das Produktspektrum zu optimieren, einen fairen Produktpreis zu ermitteln sowie vorhandene Mittel zur Kostensenkung optimal einsetzen zu können.
Da das Prozessoptimierungssystem in einer metallurgischen Anlage normalerweise Zugriff auf alle Prozessparameter bietet, kann das Ziel der Erfindung mit einer hohen Qualität erreicht werden. Auch die Offline-Version der ökonometrischen Modelle, welche für die Investitionsplanung verwendet werden kann, kann diese Information mit einer hohen Treffsicherheit zur Verfügung stellen. Dies ist durch die Verwendung der Parameter, welche durch die Online-Modelle erfasst werden, möglich.
Die Erfindung erlaubt insbesondere die kontinuierliche Überwachung der Produktionskosten und des damit im Zusammenhang stehenden Gewinnes für bestimmte Produkte bzw. Produktklassen.
Weiters kann sie zur Optimierung von Anlagen, des Anlagenbetriebes, der Profitabilität im allgemeinen Sinne, des Gewinnes, des Deckungsbeitrages, des Gross-Margins, der fixen und der variablen Kosten benutzt werden. Zu dieser Optimierung werden geeignete mathematische Verfahren, entweder alleine oder mit zusätzlichen interaktiven Eingaben, verwendet.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Produktionskosten eines Produktionsvorganges für ein bestimmtes Produkt, wobei aus Produkteigenschaften und aus Modellen, welche den Zusammenhang zwischen Produkteigenschaften, Produktionsmitteln und vorgegebener Kosten für die Produktionsmittel beschreiben, die Erzeugungskosten des Produktes berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für einen Produktionsschritt mittels zumindest eines Prozessmodells aus Produkteigenschaften und Produktionsbedingungen als Eingangsgrößen die durch diesen Produktionsschritt geänderten Produkteigenschaften bestimmt werden und diesen geänderten Produkteigenschaften aufgrund der Modelle ein Anteil der in diesem Produktionsschritt für das Produkt angefallenen Erzeugungskosten zugeordnet wird und diese Erzeugungskosten auf die Produktions- und/oder Betriebszeit und auf die Menge des erzeugten Produktes bezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Produktion Produkteigenschaften und/oder Produktionsbedingungen gemessen, die geänderten Produkteigenschaften bestimmt, die Erzeugungskosten zugeordnet und diese auf die Produktions- und/oder Betriebszeit und die Menge des erzeugten Produktes bezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Produktionsbedingungen eines Produktionsschrittes über mehrere Produkte hinweg aufgezeichnet und daraus laufend angepasste Produktionsbedingungen als Eingangsgrößen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Produkteigenschaften und/oder Produktionsbedingungen durch Simulation berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vorhandene Messwerte als Produkteigenschaften und/oder Produktionsbedingungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Produktionsanlagensteuerung eingebundene Prozessmodelle verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es für zumindest einen der folgenden Vorgänge verwendet wird: Eisenerzeugung, Stahlerzeugung, Stranggiessen, Erwärmung, Warmwalzen, Kaltwalzen, Veredelung, Lagerung und Transport.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Erwärmung der Brammen im Ofen aus der theoretischen benötigten Wärmemenge zur Brammenerwärmung und einem Wirkungsgrad berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Erwärmung der Brammen im Ofen aus dem akuellen mittleren Brennstoffverbrauch, der Brammenerwärmungszeit und der totalen Brammenmasse im Ofen berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Umformen mit Hilfe eines Stichplanmodelles berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzenverschleiß in Abhängigkeit von gewalzter Länge, des gewalzten Materials, des Walzenmaterials und der Kühl- und Schmiermittelverhältnisse ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse des Zuordnungsprozesses einem Automatisierungssystem zur Steuerung der Produktionsplanung und -steuerung zugeführt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel vorgesehen ist, mit welchem zumindest für einen Produktionsschritt mittels zumindest eines Prozessmodells aus Produkteigenschaften und Produktionsbedingungen als Eingangsgrößen die durch diesen Produktionsschritt geänderten Produkteigenschaften bestimmbar sind und diesen geänderten Produkteigenschaften ein Anteil der in diesem Produktionsschritt für das Produkt angefallenen Kosten zuordenbar ist und diese auf die Produktions- und/oder Betriebszeit und die Menge des erzeugten Produktes bezogen werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Mittel eine Automatisierungseinrichtung ist, mit welcher die Anlage bzw. der Produktionsprozess steuer- oder regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Mittel eine Automatisierungseinrichtung ist, mit welcher die Produktionsplanung und – steuerung der Anlage bzw. des Produktionsprozesses durchführbar ist.