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Die vorliegende Erfindung betrifft Produktionsanlagen mit einer oder mehreren Bearbeitungsstationen zur Herstellung eines Endprodukts aus mindestens einem Primäredukt.
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Stand der Technik
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Industrielle Fertigungsprozesse laufen vielfach geregelt ab. Eine Bearbeitungsstation, an der ein Edukt zu einem Produkt verarbeitet wird, enthält einen Prozessregler, der über eine oder mehrere Stellgrößen auf die Bearbeitungsstation einwirkt und mindestens eine zu regelnde Größe als Rückkopplung erhält. Ist diese Größe beispielsweise ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts, und/oder ist diese Größe mit einem Qualitätsmerkmal des Produkts korreliert, so lässt sich dieses Qualitätsmerkmal auch dann auf einem gleichbleibenden Niveau halten, wenn Störeinflüsse auf den Fertigungsprozess einwirken. Die Störeinflüsse werden kompensiert, indem die Stellgröße durch den Prozessregler entsprechend nachgeführt wird.
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Derartige Fertigungsprozesse und zugehörige Prozessregler sind beispielsweise aus der
EP 1 867 422 A2 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde eine Produktionsanlage für die Herstellung mindestens eines Endprodukts aus mindestens einem Primäredukt entwickelt. Diese Produktionsanlage umfasst mindestens eine Bearbeitungsstation, die mindestens ein Edukt zu mindestens einem Produkt verarbeitet. Es ist weiterhin ein Prozessregler vorgesehen, der durch Beeinflussung mindestens einer auf die Bearbeitungsstation wirkenden Stellgröße mindestens eine Größe, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts ist, und/oder die mit einem Qualitätsmerkmal des Produkts korreliert ist, zu regeln vermag.
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Der Begriff des Edukts umfasst alle Materialien, Medien, Gegenstände und sonstigen Ressourcen, die von der Bearbeitungsstation für die Herstellung des Produkts benötigt werden, insbesondere Ressourcen, die sich hierbei verbrauchen. Hierunter fallen beispielsweise Rohstoffe, Energie, Hilfsstoffe, Verbrauchsmaterialien sowie von anderen Bearbeitungsstationen hergestellte Vorprodukte. Auch Werkzeuge und andere Teile der Bearbeitungsstation, die einem Verschleiß unterliegen und sich somit über kurz oder lang ebenfalls verbrauchen, zählen zu den Edukten.
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Der Begriff des Produkts umfasst allgemein das von der Bearbeitungsstation gelieferte Arbeitsergebnis. Ein Produkt kann insbesondere beispielsweise ein veredelter oder verarbeiteter Rohstoff, ein Vorprodukt oder Halbzeug für die Weiterverarbeitung durch weitere Bearbeitungsstationen oder ein mit der Produktionsanlage als Ganzes herzustellender Gegenstand sein.
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Die Produktionsanlage kann eine serielle oder parallele Anordnung von Bearbeitungsstationen oder beliebige Mischformen hiervon umfassen. Eine serielle Anordnung von zwei Arbeitsstationen bedeutet, dass ein Produkt der ersten Bearbeitungsstation von der zweiten Arbeitsstation als Edukt genutzt wird. Eine parallele Anordnung von zwei Arbeitsstationen bedeutet, dass die beiden Bearbeitungsstationen gleiche oder gleichartige Edukte erhalten und hieraus gleiche oder gleichartige, insbesondere untereinander austauschbare, Produkte herstellen.
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Primäredukte sind diejenigen Edukte, die der als Ganzes betrachteten Produktionsanlage insgesamt zugeführt werden. Endprodukte sind diejenigen Produkte, die aus der Tätigkeit der als Ganzes betrachteten Produktionsanlage insgesamt resultieren.
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Der Begriff des Regelns einer Größe umfasst im Kontext dieser Erfindung insbesondere das Regeln der Größe auf einen vorgegebenen Sollwert oder Sollwertverlauf, aber beispielsweise auch das Konstanthalten auf dem aktuellen Wert der Größe, ohne dass dieser Wert konkret vorgegeben ist. Allgemein umfasst der Begriff des Regelns das Einwirken auf eine Stellgröße, um die Abweichung eines durch ein Funktional der geregelten Größe definierten Istzustandes von einem Sollzustand zu minimieren.
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Unter einer mit einem Qualitätsmerkmal des Produkts korrelierten Größe wird insbesondere eine Größe verstanden, deren Wert oder Verlauf ursächlich für das Vorhandensein oder Fehlen des Qualitätsmerkmals ist. Es kann sich also beispielsweise um eine Prozessgröße handeln, die auf die Qualität des Produkts wirkt oder die in sonstiger Weise für die Qualität des Produkts von Bedeutung ist.
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Erfindungsgemäß ist der Prozessregler zusätzlich dazu ausgebildet, durch Einwirkung auf die Stellgröße die Produktionsrate der Bearbeitungsstation für das Produkt, und/oder die Verbrauchsrate der Bearbeitungsstation an Edukt, zu regeln. Die Produktionsrate kann insbesondere als Menge des durch die Bearbeitungsstation bereitgestellten Produkts pro Zeiteinheit definiert werden. Die Verbrauchsrate kann insbesondere als der Verbrauch an Edukt pro Zeiteinheit durch die Bearbeitungsstation definiert werden.
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Es wurde erkannt, dass sich durch diese Maßnahme überraschenderweise die Wirtschaftlichkeit der Herstellung verbessern lässt. Bislang fanden mengenmäßige Produktionsregelungen hauptsächlich im Bereich der Logistik und Montage Anwendung, während sie bei der eigentlichen Herstellung, und insbesondere in der Fertigungstechnik, kein Thema waren. Stattdessen wurden feste Produktionskapazitäten und die dafür bereitgehaltenen Bearbeitungsprozesse bei fixen Erstellungszeiten und spezifizierten Qualitätsmerkmalen für sich gesehen optimal ausgelastet.
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Eine solche optimale Auslastung ist häufig deckungsgleich mit dem wirtschaftlichen Optimum, jedoch längst nicht immer. Beispielsweise können an einer zerspanenden Fertigungsmaschine die Fertigungskosten pro hergestelltem Produkt vom Auslastungsgrad der Maschine abhängen, weil der Energieverbrauch und/oder der Werkzeugverschleiß bei voller Auslastung oder gar Überlastung der Maschine überproportional ansteigen. Wird eine große Anzahl von Produkten, beispielsweise Dieselinjektoren, sofort benötigt, weil ansonsten anderswo, beispielsweise in der Motorenfertigung, ein Stillstand droht, dann kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, die Fertigungsmaschine ohne Rücksicht auf die erhöhten Stückkosten am Limit zu fahren. Wird hingegen eine geringere Anzahl benötigt, weil die Weiterverarbeitung stockt oder es aus anderen Gründen weniger akuten Bedarf gibt, kann derjenige Arbeitspunkt für die Auslastung mit den geringsten Stückkosten sinnvoll sein.
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Alternativ oder auch in Kombination zur Produktionsrate kann auch die Verbrauchsrate der Bearbeitungsstation geregelt werden. Mit einer derartigen Regelung kann beispielsweise auf eine Ressourcenknappheit reagiert werden. Beispielsweise kann ein Halbzeug, das von mehreren Bearbeitungsstationen benötigt wird und dessen verfügbare Menge den Bedarf aller Bearbeitungsstationen nicht deckt, mengenmäßig so auf die Bearbeitungsstationen verteilt werden, dass mit der verfügbaren Gesamtmenge noch die größtmögliche Wertschöpfung erzielt werden kann.
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Die Produktionsrate und die Verbrauchsrate sind unmittelbar einsichtige Parameter, die von einem Prozessbediener im Hinblick auf die betrieblichen Erfordernisse eingestellt werden können. Die Regelung der Größe, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts ist, und/oder die mit einem Qualitätsmerkmal des Produkts korreliert ist, kann hierbei gleichberechtigt mit der Regelung der Produktionsrate bzw. Verbrauchsrate sein. Besonders bevorzugt ist die Regelung im Hinblick auf die Produktqualität jedoch priorisiert. Insbesondere können beispielsweise als Randbedingung Eingriffe in die Stellgröße zwecks Änderung der Produktionsrate oder Verbrauchsrate nur insoweit zugelassen werden, als die Produktqualität hierbei zu keiner Zeit einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
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Die Produktionsrate und die Verbrauchsrate können Größen sein, die mit einer vergleichsweise langsamen Zeitkonstanten vorliegen bzw. abtastbar sind. Liegen beispielsweise das Produkt und/oder das Edukt in Form diskreter Stücke vor, so begrenzt die Zeit, die für die Produktion bzw. für den Verbrauch eines Stückes benötigt wird, die Zeitkonstante. Dies limitiert jedoch ausdrücklich nicht die Zeitkonstante, mit der diejenige Größe abgetastet wird, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts ist, und/oder die mit einem Qualitätsmerkmal des Produkts korreliert ist. Diese Größe muss nicht erst dann vorliegen, wenn ein diskretes Stück des Produkts gefertigt ist, sondern kann beispielsweise auch eine Prozessgröße sein und während der Herstellung des gerade zu bearbeitenden Produkts mit hoher Zeitauflösung vorliegen. Der Prozessregler kann also wie bisher auf während dieser Herstellung auftretende Störungen unmittelbar und sofort, mit Taktzeiten bis hinab in den Millisekundenbereich, reagieren und die Stellgröße entsprechend nachführen.
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Zum Zwecke des Soll-Ist-Vergleichs sind diejenigen Größen, auf die der Prozessregler regelt, vorteilhaft in den Prozessregler zurückgekoppelt, so dass eine geschlossene Regelschleife vorliegt.
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Vorteilhaft erhält der Prozessregler mindestens eine Prozessgröße aus der Bearbeitungsstation als zusätzliche Rückkopplung. Diese Rückkopplung kann beispielsweise zur Überwachung von Randbedingungen, wie etwa Belastungsgrenzen von Komponenten der Bearbeitungsstation, dienen. Sie kann aber beispielsweise auch verwendet werden, um den Prozessregler zusätzlich dazu auszubilden, diese Prozessgröße zu regeln. Beispielsweise kann der Prozessregler die Anforderung, die Produktionsrate und/oder Verbrauchsrate auf einen vorgegebenen Wert zu regeln, intern in Vorgaben für einen oder mehrere Prozessgrößen umsetzen. Die gewünschte Produktionsrate und/oder Verbrauchsrate wird dann durch entsprechende Regelung der Prozessgrößen auf die neuen Vorgaben physisch realisiert. Beispielsweise kann in der zerspanenden Fertigung die Vorgabe für die Produktionsrate und/oder Verbrauchsrate in eine Vorgabe für die Bearbeitungskraft umgesetzt werden. Die übrigen Zerspanungsparameter werden dann im Zuge der Regelung auf die neue Bearbeitungskraft automatisch so angepasst, dass Produkte gleichbleibender Qualität hergestellt werden. Alternativ oder in Kombination hierzu kann die zusätzlich rückgekoppelte Prozessgröße auch ihrerseits ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts sein, und/oder sie kann mit einem Qualitätsmerkmal des Produkts korreliert sein.
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Ein Beispiel hierfür ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, in der die Bearbeitungsstation dazu ausgebildet ist, ein Edukt durch Bohren zu einem Produkt zu verarbeiten. Der Prozessregler kann dann beispielsweise dazu ausgebildet sein, die Vorschubkraft F des Bohrers als Prozessgröße zu regeln. Hierzu kann der Prozessregler beispielsweise die Drehzahl des Bohrers variieren. In entsprechenden Versuchen der Erfinder konnte hierdurch die Lebensdauer des Bohrers um bis zu 30 % verlängert werden.
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Analog kann in einer weiteren besonderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Bearbeitungsstation dazu ausgebildet sein, ein Edukt durch Fräsen zu einem Produkt zu verarbeiten. Der Prozessregler kann dann beispielsweise dazu ausgebildet sein, die Vorschubgeschwindigkeit v des Fräsers als Prozessgröße zu regeln.
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Der Prozessregler kann weiterhin eine Messgröße R, die das Rattern des Fräsers beschreibt, als zusätzlich rückgekoppelte Prozessgröße erhalten. Beim Rattern eines Fräsers handelt es sich um Schwingungen, die bei größeren Bearbeitungsgeschwindigkeiten vermehrt auftreten und beispielsweise sowohl die Lebensdauer des Fräsers als auch die Bearbeitungsgenauigkeit reduzieren. Wenn dem Prozessregler nun bei gleichbleibender Qualitätsanforderung die Vorgabe einer möglichst hohen Produktionsrate gemacht wird, dann kann der Prozessregler darauf beispielsweise reagieren, indem er zumindest den anfänglichen groben Teil der Werkstückbearbeitung mit maximaler Geschwindigkeit und starkem Rattern durchführt und für die Finalisierung filigraner Strukturen die Geschwindigkeit deutlich reduziert, um im Interesse einer hohen Oberflächenqualität das Rattern zu minimieren.
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Der Prozessregler kann eine von der eigentlichen Steuerung der Bearbeitungsstation unabhängige Einheit sein und muss auch nicht in die Bearbeitungsstation integriert sein. Es ist also beispielsweise möglich, dass eine Vielzahl von Bearbeitungsstationen über eine Kommunikationsverbindung mit einem zentralen Prozessregler gekoppelt ist. Ebenso kann an einer Bearbeitungsstation, die bislang nur gesteuert und nicht geregelt lief, ein Prozessregler in Form einer separaten Systembox nachgerüstet werden.
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Umgekehrt ist es jedoch auch möglich, in der Steuerung der Bearbeitungsstation von vornherein den Prozessregler zu integrieren.
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Die Steuerung der Bearbeitungsstation kann beispielsweise eine CNC-Steuerung, eine SPS-Steuerung oder auch eine Drehzahlsteuerung für einen Frequenzumrichter sein. Die Prozessgröße aus der Bearbeitungsstation, die der Prozessregler als zusätzliche Rückkopplung erhält, kann beispielsweise eine Zustandsinformation aus der Steuerung der Bearbeitungsstation sein. Die Prozessgröße kann aber auch beispielsweise ein mit einem Sensor gemessener Messwert sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei Bearbeitungsstationen vorgesehen, wobei mindestens ein Produkt der ersten Bearbeitungsstation ein Edukt der zweiten Bearbeitungsstation ist. Es können dann beispielsweise die Verbrauchsrate der zweiten Bearbeitungsstation an Vorprodukten und die Produktionsrate der ersten Bearbeitungsstation für diese Vorprodukte so aufeinander abgestimmt werden, dass es weder zu einer Stauung unverarbeiteter Vorprodukte zwischen der ersten und der zweiten Bearbeitungsstation noch zu einem Stillstand der zweiten Bearbeitungsstation infolge eines akuten Mangels an Vorprodukten kommt. Ebenso können beispielsweise mehrere Bearbeitungsstationen aus ein und derselben vorgeschalteten Bearbeitungsstation mit Vorprodukten gespeist werden. Umgekehrt können beispielsweise mehrere Bearbeitungsstationen, die gleiche oder gleichartige Vorprodukte herstellen, eine nachgeschaltete Bearbeitungsstation beliefern, die diese Vorprodukte als Edukte benötigt.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein erster Prozessregler vorgesehen, der je mindestens eine Prozessgröße aus jeder Bearbeitungsstation als Rückkopplung erhält und eine auf die erste Bearbeitungsstation wirkende Stellgröße beeinflusst. Weiterhin ist ein zweiter Prozessregler vorgesehen, der mindestens eine Prozessgröße aus der zweiten Bearbeitungsstation sowie mindestens eine Größe, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts ist, und/oder die mit einem Qualitätsmerkmal des Produkts korreliert ist, als Rückkopplung erhält und eine auf die zweite Bearbeitungsstation wirkende Stellgröße beeinflusst. Der erste Prozessregler kann dann beispielsweise hauptsächlich dazu dienen, die Vorgabe bezüglich der Produktionsrate bzw. Verbrauchsrate umzusetzen. Der zweite Prozessregler kann beispielsweise hauptsächlich dazu dienen, eine gleichbleibende Qualität des Endprodukts zu gewährleisten.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Produktionsregler vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, die Verbrauchsrate der Produktionsanlage an mindestens einem Primäredukt, und/oder die Produktionsrate der Produktionsanlage für das Endprodukt, durch Einwirkung auf die Sollwerte der Prozessregler für die Produktionsraten der Bearbeitungsstationen für ihre jeweiligen Produkte, und/oder für die Verbrauchsraten der Bearbeitungsstationen an ihren jeweiligen Edukten, zu regeln.
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Die Verbrauchsrate und die Produktionsrate der Produktionsanlage als Ganzes sind die aus wirtschaftlicher Sicht letztendlich interessierenden Größen. Indem nun auf der Ebene der einzelnen Bearbeitungsstationen die Prozessregler wiederum mit Vorgaben für Verbrauchsraten und/oder Produktionsraten arbeiten, gibt es keinen logischen Bruch zwischen den beiden Ebenen. Auch ein komplexes Netzwerk aus teils seriell, teils parallel zueinander angeordneten Basisstationen bleibt auf diese Weise nachvollziehbar.
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Weiterhin kann der Produktionsregler besonders einfach gerade auf die beiden Störungen reagieren, die in einem derartigen komplexen Verbund am häufigsten auftreten, nämlich Ausfälle von Bearbeitungsstationen einerseits und Ressourcenknappheit andererseits. Beispielsweise kann der Ausfall einer Bearbeitungsstation dadurch kompensiert werden, dass die Auslastung anderer Bearbeitungsstationen, die das gleiche Produkt herstellen, erhöht wird. Umgekehrt können Bearbeitungsstationen bei Knappheit bestimmter Edukte auf Sparflamme arbeiten, um die knappen Edukte an anderen Bearbeitungsstationen einsetzen zu können, wo sie dringender benötigt werden. Der Produktionsregler orchestriert also das Zusammenspiel der einzelnen Bearbeitungsstationen situationsgerecht, so dass die Wertschöpfung und der dazu nötige Ressourcenverbrauch in einem optimalen Verhältnis gehalten werden.
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Der Produktionsregler kann den einzelnen Bearbeitungsstationen die Vorgaben bezüglich der Verbrauchs- bzw. Produktionsrate beispielsweise in Form eines auf die jeweilige maximale Produktionskapazität normierten Skalierungsfaktors übermitteln, wobei ein Wert von 0 für Stillstand und ein Wert von 1 für Vollauslastung steht. Der Produktionsregler kann die Vorgaben bezüglich der Produktionsrate von Endprodukten und/oder bezüglich des Verbrauchs von Primäredukten beispielsweise von einem Leitsystem, wie etwa SAP oder einem Produktionsleitsystem (Manufacturing Execution System, MES) erhalten und seinerseits den Ist-Zustand der Produktionsrate bzw. Verbrauchsrate an das Leitsystem zurückmelden.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass zwischen dem Produktionsregler und den für die einzelnen Bearbeitungsstationen zuständigen Prozessreglern jeweils eine geschlossene rückgekoppelte Regelschleife besteht. Für die Regelung der Verbrauchsrate bzw. der Produktionsrate der Produktionsanlage als Ganzes muss der Produktionsregler nur den Ist-Zustand dieser Verbrauchsrate bzw. Produktionsrate kennen. Die Regelgüte lässt sich jedoch verbessern, indem der Prozessregler aggregierte Informationen über den Ist-Zustand der Bearbeitungsstation an den Produktionsregler übermittelt. Ist beispielsweise eine Bearbeitungsstation ausgefallen, erübrigt sich jeder Versuch des Produktionsreglers, die Auslastung dieser Bearbeitungsstation zu erhöhen.
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Der Prozessregler und der Produktionsregler können jeweils als eigenständige Einheiten ausgebildet sein, die separat verkauft und an einer vorhandenen Bearbeitungsstation, bzw. in einer vorhandenen Produktionsanlage, nachgerüstet werden können. Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung daher auch auf einen Prozessregler, der zusätzlich dazu ausgebildet ist, durch über eine Stellgröße vermittelte Einwirkung auf die Bearbeitungsstation die Produktionsrate und/oder die Verbrauchsrate der Basisstation zu regeln. Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen Produktionsregler für eine aus mehreren Bearbeitungsstationen zusammengesetzte Produktionsanlage, der dazu ausgebildet ist, die Produktionsrate und/oder die Verbrauchsrate der Produktionsanlage durch Einwirkung auf die Sollwerte der Prozessregler für die Produktionsraten, und/oder für die Verbrauchsraten, der Basisstationen zu regeln.
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Die Erfindung weist mindestens die folgenden wesentlichen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:
Die Anpassung der Stellgrößen und Prozessparameter der einzelnen Bearbeitungsstationen ist kein eigenständiger, manueller Vorgang mehr. Durch den Prozessregler werden die Stellgrößen und Prozessparameter sowohl für jeden Werkzeugzustand als auch für jede individuelle Paarung zwischen Werkzeug und Werkstück optimal eingestellt und gehalten.
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Die relevanten Qualitätsmerkmale der Endprodukte können bei innerhalb sinnvoller Grenzen variablen Prozessparametern erreicht werden. Die Prozessstabilität der einzelnen Bearbeitungsschritte ist infolgedessen gewährleistet.
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Der Produktionsregler hat einen direkten Einfluss auf die Stellgrößen der einzelnen Bearbeitungsstationen, und somit auch auf das Fertigungstempo und auf die Stückkosten.
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Neben einem reinen wirtschaftlichen Optimierungsziel der Produktionsregelung sind umfassende Verknüpfungen innerhalb der Wertschöpfungskette möglich. Ebenso ist es möglich, auf Maschinenausfälle oder ungeplante Ressourcenknappheit schnell zu reagieren.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 Ausführungsbeispiel einer Produktionsanlage 1 gemäß der Erfindung mit einer Bearbeitungsstation 41;
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2 Ausführungsbeispiel einer Produktionsanlage 1 gemäß der Erfindung mit zwei kaskadierten Bearbeitungsstationen 41 und 42.
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3 Ausführungsbeispiel einer Produktionsanlage 1 gemäß der Erfindung mit Produktionsregler 9.
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Nach 1 umfasst die Produktionsanlage 1 eine einzige Bearbeitungsstation 41. Das Primäredukt 2, das der Produktionsanlage 1 als Ganzes zugeführt und von der Produktionsanlage 1 mit einer Rate 2a verbraucht wird, ist zugleich das Edukt 21 der Bearbeitungsstation 41. Die Bearbeitungsstation 41 verbraucht das Edukt 21 mit einer Rate 21a und verarbeitet das Edukt 21 mit einer Rate 31a zu einem Produkt 31. Dieses Produkt 31 ist zugleich das Endprodukt 3 der Produktionsanlage 1. Die Produktionsrate 3a der Produktionsanlage 1 als Ganzes ist mit der Produktionsrate 31a der einzigen Bearbeitungsstation 41 identisch.
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Der der Bearbeitungsstation 41 zugeordnete Prozessregler 51 erhält neben der Größe 71, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts 31 ist, sowohl die Verbrauchsrate 21a als auch die Produktionsrate 31a der Bearbeitungsstation 41. Der Prozessregler 51 ist somit in der Lage, bei gleichbleibender Qualität des Produkts 31 wahlweise die Verbrauchsrate 21a, die Produktionsrate 31a oder eine Kombination aus der Verbrauchsrate 21a und der Produktionsrate 31a zu regeln. Der Prozessregler 51 beeinflusst zu diesem Zweck eine auf die Bearbeitungsstation 41 wirkende Stellgröße 61. Die Größe 71 wird nicht nur am fertigen Produkt 31 registriert, sondern zugleich auch, auf einer wesentlich schnelleren Zeitskala, unmittelbar aus dem in der Bearbeitungsstation 41 ablaufenden Prozess entnommen.
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Zusätzlich erhält der Prozessregler 51 noch eine weitere Prozessgröße 81 aus der Bearbeitungsstation als weitere Rückkopplung, die zur Überwachung von Randbedingungen genutzt werden kann.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Produktionsanlage 1 zwei miteinander kaskadierte Bearbeitungsstationen 41 und 42. Das Primäredukt 2 ist zugleich das Edukt 21 der ersten Bearbeitungsstation 41, und die Verbrauchsrate 2a an Primäredukt 2 ist identisch mit der Verbrauchsrate 21a der ersten Bearbeitungsstation 41. Die erste Bearbeitungsstation 41 produziert ein erstes Produkt 31 mit einer Rate 31a. Dieses erste Produkt 31 ist zugleich das Edukt 22 der zweiten Bearbeitungsstation 42, die aus diesem Edukt 22 mit einer Rate 32a das zweite Produkt 32 herstellt. Dabei ist das zweite Produkt 32 identisch mit dem Endprodukt 3, das die Produktionsanlage 1 insgesamt herstellt, und die Rate 3a, mit der das Endprodukt 3 hergestellt wird, ist identisch mit der Produktionsrate 32a der zweiten Bearbeitungsstation 42. Die Verbrauchsrate 22a der zweiten Bearbeitungsstation 42 ist jedoch nicht zwangsläufig identisch mit der Produktionsrate 31a der ersten Bearbeitungsstation 41. Stattdessen kann das Produkt 31 zwischengelagert werden, bevor es der zweiten Bearbeitungsstation 42 als Edukt 22 zugeführt wird.
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Die Produktionsanlage 1 enthält zwei Prozessregler 51 und 52. Der erste Prozessregler 51 erhält die Verbrauchsrate 21a und die Produktionsrate 31a der ersten Bearbeitungsstation 41 als Rückkopplung. Zusätzlich erhält der erste Prozessregler 51 eine erste Prozessgröße 81 aus der ersten Bearbeitungsstation 41 und eine zweite Prozessgröße 82 aus der zweiten Bearbeitungsstation 42. Der erste Prozessregler 51 beeinflusst eine Stellgröße 61, die auf die erste Bearbeitungsstation 41 wirkt. Er übernimmt die Hauptarbeit bei der Umsetzung der mengenmäßigen Vorgaben für Produktion und Ressourcenverbrauch.
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Der zweite Prozessregler 52 erhält die Verbrauchsrate 22a und die Produktionsrate 32a der zweiten Bearbeitungsstation 42 als Rückkopplung. Als weitere Rückkopplung erhält der zweite Prozessregler 52 die Größe 72, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts 32 ist. Der zweite Prozessregler 52 übernimmt somit die Endkontrolle des Produkts 32, das zugleich das Endprodukt 3 der Produktionsanlage 1 ist. Analog zu 1 wird die Größe 72 sowohl an Hand des fertigen Produkts 32 als auch, auf einer wesentlich schnelleren Zeitskala, unmittelbar dem in der Bearbeitungsstation 42 ablaufenden Prozess entnommen.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Produktionsanlage 1 gemäß der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine gemischte serielle und parallele Anordnung aus vier Bearbeitungsstationen 41, 42a, 42b und 43 vorgesehen.
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Die erste Bearbeitungsstation 41 verbraucht ein Edukt 21, das zugleich das Primäredukt 2 der Produktionsanlage 1 als Ganzes ist, mit einer Verbrauchsrate 21a und stellt aus diesem Edukt 21 mit einer Produktionsrate 31a ein erstes Produkt 31 her. Der der ersten Bearbeitungsstation 41 zugeordnete Prozessregler 51, der über eine Stellgröße 61 auf die erste Bearbeitungsstation 41 einwirkt, erhält die Verbrauchsrate 21a und die Produktionsrate 31a der ersten Bearbeitungsstation 41, sowie auch eine Größe 71, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des ersten Produkts 31 ist, als Rückkopplung. Der Prozessregler 51 ist dazu ausgebildet, neben der Größe 71 auch die Verbrauchsrate 21a, und/oder die Produktionsrate 31a, der ersten Bearbeitungsstation zu regeln.
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Das erste Produkt 31 ist ein Zwischenprodukt, das als Edukt 22 zwei parallel angeordneten Bearbeitungsstationen 42a und 42b zugeführt wird. Beide Bearbeitungsstationen 42a und 42b stellen aus dem Edukt 22 ein zweites Produkt 32 her. Dabei kann sich die Verbrauchsrate 22a1 der Bearbeitungsstation 42a am Edukt 22 von der Verbrauchsrate 22a2 der Bearbeitungsstation 42b am Edukt 22 unterscheiden. Ebenso kann sich die Produktionsrate 32a1 der Bearbeitungsstation 42a für das zweite Produkt 32 von der Produktionsrate 32a2 der Bearbeitungsstation 42b für das zweite Produkt 32 unterscheiden. Die Summe der Verbrauchsraten 22a1 und 22a2 beider Bearbeitungsstationen 42a und 42b am Edukt 22 muss nicht zu jeder Zeit der Produktionsrate 31a entsprechen, mit der dieses Edukt 22 als erstes Produkt 31 durch die Bearbeitungsstation 41 hergestellt wird. Zwischen den Bearbeitungsstationen 41 einerseits sowie 42a und 42b andererseits ist Lagerkapazität vorhanden, die einen Produktionsüberschuss seitens der Bearbeitungsstation 41 aufnimmt und einen Bedarfsüberschuss seitens der Bearbeitungsstationen 42a und 42b abdeckt.
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Der der Bearbeitungsstation 42a zugeordnete Prozessregler 52a beeinflusst die Bearbeitungsstation 42a vermittelt durch eine Stellgröße 62a. Er erhält die Verbrauchsrate 22a1 und die Produktionsrate 32a1 der Bearbeitungsstation 42a, sowie die Größe 72a, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des von der Bearbeitungsstation 42a hergestellten zweiten Produkts 32 ist, als Rückkopplung.
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Analog beeinflusst der Bearbeitungsstation 42b zugeordnete Prozessregler 52b die Bearbeitungsstation 42b vermittelt durch eine Stellgröße 62b. Er erhält die Verbrauchsrate 22a2 und die Produktionsrate 32a2 der Bearbeitungsstation 42b, sowie die Größe 72b, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des von der Bearbeitungsstation 42b hergestellten zweiten Produkts 32 ist, als Rückkopplung.
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Das von beiden Bearbeitungsstationen 42a und 42b hergestellte zweite Produkt 32 ist zugleich das Edukt 23 für die Bearbeitungsstation 43. Die Bearbeitungsstation 43 verbraucht das Edukt 23 mit einer Verbrauchsrate 23a und stellt hieraus mit der Produktionsrate 33a das dritte Produkt 33 her, das zugleich das Endprodukt 3 der Produktionsanlage 1 als Ganzes ist.
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Dabei ist zwischen den Bearbeitungsstationen 42a und 42b einerseits sowie der Bearbeitungsstation 43 andererseits wiederum Lagerkapazität vorhanden, so dass die Verbrauchsrate 23a der Bearbeitungsstation 43 nicht zu jeder Zeit der Summe der Produktionsraten 32a1 und 32a2 der Bearbeitungsstationen 42a und 42b entsprechen muss.
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Der der Bearbeitungsstation 43 zugeordnete Prozessregler 53 erhält die Verbrauchsrate 23a und die Produktionsrate 33a der Bearbeitungsstation 43 sowie eine Größe 73, die ein Maß für ein Qualitätsmerkmal des Produkts 33 ist, als Rückkopplung.
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Analog zu den 1 und 2 werden die Größen 71, 72a, 72b und 73 nicht nur an Hand der fertigen Produkte 31, 32 und 33 bestimmt, sondern auch, auf einer wesentlich schnelleren Zeitskala, unmittelbar den in den Bearbeitungsstationen 41, 42a, 42b und 43 ablaufenden Prozessen entnommen.
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Da nur die Bearbeitungsstation 41 das Edukt 21 verbraucht, das identisch mit dem Primäredukt 2 der Produktionsanlage 1 als Ganzes ist, ist die Verbrauchsrate 21a der ersten Bearbeitungsstation 41 identisch mit der Verbrauchsrate 2a der Produktionsanlage 1 als Ganzes.
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Da nur die Bearbeitungsstation 43 das Produkt 33 herstellt, welches das Endprodukt 3 der Produktionsanlage 1 als Ganzes ist, ist die Produktionsrate 33a der Bearbeitungsstation 43 identisch mit der Produktionsrate 3a der Produktionsanlage 1 als Ganzes.
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Der Produktionsregler 9 erhält die Verbrauchsrate 2a und die Produktionsrate 3a der Produktionsanlage 1 als Rückkopplung. Er ist dazu ausgebildet, die Verbrauchsrate 2a, und/oder die Produktionsrate 3a, zu regeln. Zu diesem Zweck beeinflusst der Produktionsregler 9 die Sollwerte 91, 92a, 92b und 93 für die Verbrauchsraten 21a, 22a1, 22a2, 23a, und/oder für die Produktionsraten 31a, 32a1, 32a2, 33a, der Bearbeitungsstationen 42, 42a, 42b und 43. Dabei kann der Produktionsregler noch weitere Rückkopplungen über den Zustand der Bearbeitungsstationen 42, 42a, 42b und 43 erhalten, die in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet sind.
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Durch den Produktionsregler 9 kann die Produktionsanlage 1 als Ganzes zwischen den Extremen der maximalen Produktionsrate 3a und der minimalen Verbrauchsrate 2a gefahren werden. Weiterhin kann beispielsweise auf einen Ausfall der Bearbeitungsstation 42a reagiert werden, indem die Auslastung der Bearbeitungsstation 42b entsprechend erhöht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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