DE3701880C2

DE3701880C2 -

Info

Publication number: DE3701880C2
Application number: DE3701880A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr.-Ing. Ddr 8021 Dresden Dd Bleisch; Joachim Prof. Dr.Sc.Tech. Hennig; Manfred Dipl.-Ing. Ddr 8010 Dresden Dd Woelk
Original assignee: Nagema VEB
Current assignee: PACTEC DRESDEN GMBH, O-8045 DRESDEN, DE
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1987-01-23
Publication date: 1988-09-29
Also published as: DD246641A1; DE3701880A1

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 Speicherbelegung 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.

Des weiteren 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 den 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

1. Verfahren zur Steuerung von Verarbeitungsmaschinen nach optimalen Arbeitsgeschwindigkeiten,

. die nach einem vorgegebenen mathematischen Modell auf der Grundlage empirisch ermittelter Werte berechnet und/oder
. unter Beachtung der stochastischen Betriebsbedingungen durch Anwendung eines Optimierungsverfahrens ermittelt werden, wobei
. durch Sensoren Ausfallzeiten der Maschine sowie die Verarbeitungsgutmenge
- . . in der Maschine
  - . . . absolut und
  - . . . als Funktion der Zeit bestimmt werden und
. diese Werte einem Prozeßrechner zugeführt werden,

gekennzeichnet dadurch, daß

. die Arbeitsgeschwindigkeit der Verarbeitungsmaschine auf die 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.