DE3701880A1 - Verfahren zur steuerung von verarbeitungsmaschinen nach optimalen arbeitsgeschwindigkeiten - Google Patents
Verfahren zur steuerung von verarbeitungsmaschinen nach optimalen arbeitsgeschwindigkeitenInfo
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Description
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.
Aus der DE-OS 31 20 603 ist für Verarbeitungsmaschinen eine
Lösung bekannt, bei der die tatsächliche Produktivität aus der
eingegebenen Anzahl 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 25 08 113
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 Erreichung 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.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen optimalen
effektivitätsorientierten Produktausstoß für Verarbeitungsmaschinen
zu erreichen.
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 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. kostenoptimale
Arbeitsgeschwindigkeit durch Annäherung an den Grenzwert in
Intervallen oder stetig erfolgen kann.
Die Speichebelegung wird über Sensoren ermittelt.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß
- . eine maximale Effektivität des Einsatzes der Verarbeitungsmaschine 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 Verarbeitungsmaschine erreicht wird;
- . die Belastung der Bedien- und Wartungskräfte sinkt;
- . die Abmessungen der notwendigen Speicher reduziert werden können.
Desweiteren können durch zwingende Vorgaben der Zielfunktion
spezielle Produktionsbedingungen optimal berücksichtigt werden
(z. B. maximale Produktivität im Saisonbetrieb unter Vernachlässigung
der Verarbeitungskosten).
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 sowie 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 S in einem festgelegten
Bereich ausgerüstet. Dieser Bereich ist mit den Grenzwerten
minimale Arbeitsgeschwindigkeit n A und nominelle Arbeitsgeschwindigkeit
n N festgelegt. Eine rechnerische Produktivität
Q r (Produktmenge pro Zeiteinheit) ist der Arbeitsgeschwindigkeit
n S direkt proportional. Die Linearität von
Produktivität Q r und Arbeitsgeschwindigkeit n S ist jedoch
bekanntermaßen nur rechnerisch gegeben. Die tatsächliche
Produktivität Q t der Verpackungsmaschine wird bestimmt von
der rechnerischen Produktivität Q r 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) erhöhten sich bei steigender
Arbeitsgeschwindigkeit n S progressiv. Die aus den Ausfällen
resultierenden Produktionsverluste Q V erreichen folglich bei
steigender Arbeitsgeschwindigkeit n S einen Wert, der dem
rechnerischen Produktivitätszuwachs gleich ist, so daß die
tatsächliche Produktivität Q t einen Maximalwert aufweist.
Damit erreicht die Arbeitsgeschwindigkeit n S einen produktivitätsoptimalen
Wert n o .
Die spezifischen Verfahrenskosten K V 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
Verarbeitungsgutverluste (im Beispiel Verluste von Verpackungsmittel
und Hartkaramellen) bezogen auf die hergestellte
Produktmengeneinheit. Diese Verfahrenskosten K V sind ebenfalls
von der Arbeitsgeschwindigkeit n S abhängig. Sie weisen bei einer
kostenoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit n K einen Minimalwert
auf (siehe Figur). Diese Abhängigkeit resultiert aus der
Berechnung der spezifischen Verfahrenskosten bezogen auf die
arbeitsgeschwindigkeitsabhängige tatsächliche Produktivität Q t
und aus der Abhängigkeit einzelner Aufwendungen (für Energie,
Reparaturen, Verarbeitungsgutverluste) von der Arbeitsgeschwindigkeit
n S . Weil die spezifischen Verfahrenskosten
sowohl von der arbeitsgeschwindigkeitsabhängigen tatsächlichen
Produktivität Q t als auch von arbeitsgeschwindigkeitsabhängigen
Aufwendungen beeinflußt werden, gilt
n K ≦ωτ n o .
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 der Zielfunktion maximale tatsächliche Produktivität
einer der beiden Grundwerte (n K oder n o ) des Bereiches
optimaler Arbeitsgeschwindigkeiten sein. Ebenso kann das eine
Arbeitsgeschwindigkeit n S innerhalb des Bereiches der
optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten nach einer weiteren Zielfunktion
sein, beispielsweise nach maximalem Gewinn (in
Figur maximaler Zusatzgewinn Δ G). Der Zusatzgewinn Δ G aus
erhöhter tatsächlicher Produktivität Q t entsteht, weil im
Bereich der kostenoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit n K dem
relativ starken Anstieg der tatsächlichen Produktivität Q t
ein geringer Anstieg der spezifischen Verfahrenskosten k V
gegenübersteht. Damit wird bei maximalem Zusatzgewinn Δ G
eine gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit n G definiert und
es gilt:
n K ≦ωτ n G ≦ωτ n o .
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 (Hartkaramelle)
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"-Information im Rechner der
Verpackungsmaschine zu nutzen und durch Prozeßinformationen
laufend zu präzisieren. Die Einstellung oder Korrektur der
Arbeitsgeschwindigkeit n S ist zwar manuell möglich. Weil das
aber im Verarbeitungsprozeß kaum realisierbar ist, wird die
rechnergestützte Ermittlung der optimalen Arbeitsgeschwindigkeit
n opt 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 n S 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
bei fallender Tendenz 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 n S kann durch unmittelbares
Einstellen der kostenoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit
n K 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
n o vorgegeben.
Beim Einsatz mehrerer Verarbeitungsmaschinen parallel in der
gleichen 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
Hartmaterialien 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
n o eingestellt, um bei zeitweiliger
Vernachlässigung der Kosten den enstandenen oder sich
tendenziell ankündigenden Verarbeitungsgutsstau zu beseitigen.
Steigt die Speicherbelegung bei Überprüfung im nächsten Intervall
weiter an, wird die zweite Einschlagmaschine ebenfalls
auf die produktivitätsoptimale Arbeitsgeschwindigkeit n o
geführt. Sinkt die Speicherbelegung, so wird die erste
Maschine wieder auf die gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit
n c 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 (4)
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
- . . in der Maschine
- . diese Werte einem Prozeßrechner zugeführt werden,
gekennzeichnet dadurch, daß
- . die Arbeitsgeschwindigkeit der Verarbeitungsmaschine auf
die gewinnoptimale Arbeitsgeschwindigkeit (n G ) 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 auf 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 Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch, daß die Veränderung der Arbeitsgeschwindigkeit
von der gewinnoptimalen Arbeitsgeschwindigkeit
(n G ) auf die produktivitäts- bzw. kostenoptimale
Arbeitsgeschwindigkeit (n O , 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 Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Speicherbelegung
nach Sensoren ermittelt wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD28785586A DD246641A1 (de) | 1986-03-13 | 1986-03-13 | Verfahren zur steuerung von verarbeitungsmaschinen nach optimalen arbeitsgeschwindigkeiten |
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ID=5577156
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873701880 Granted DE3701880A1 (de) | 1986-03-13 | 1987-01-23 | Verfahren zur steuerung von verarbeitungsmaschinen nach optimalen arbeitsgeschwindigkeiten |
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Country | Link |
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