WO2003056480A2 - Verfahren und system zur dynamischen, modellbasierten planung und optimierung von produktionsprozessen, sowie zur ablaufplanerstellung - Google Patents

Verfahren und system zur dynamischen, modellbasierten planung und optimierung von produktionsprozessen, sowie zur ablaufplanerstellung Download PDF

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WO2003056480A2
WO2003056480A2 PCT/EP2002/014627 EP0214627W WO03056480A2 WO 2003056480 A2 WO2003056480 A2 WO 2003056480A2 EP 0214627 W EP0214627 W EP 0214627W WO 03056480 A2 WO03056480 A2 WO 03056480A2
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WO
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plant
plant operation
schedule
processing device
model
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Pousga Kabore
Andreas Kroll
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Abb Research Ltd.
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling

Definitions

  • the invention relates to a method for optimized dynamic, model-based plant and process planning and process plan creation of process and / or process engineering plant operations, in particular of manufacturing or production companies in the chemical / pharmaceutical processing industry, in the paper and pulp, metal production and processing industries and building materials or in the energy technology or energy supply sector but also in the power plant sector.
  • the invention also relates to a system for carrying out the aforementioned method.
  • the optimization goal of a process or process engineering plant and process planning usually consists essentially in fulfilling inquiries or orders on time with the least possible effort and the least possible rejects.
  • the implementation of the planning and the creation of a schedule are additionally affected by internal faults, such as equipment failures, necessary maintenance work, non-compliant quality requirements for intermediate products and / or external ones Disruptions, such as delayed raw material deliveries or urgent orders to be pushed in, as well as changes in requirements, such as priorities, are made more difficult because the ongoing planning then becomes obsolete and short-term, automated rescheduling based on the current planning and system status becomes necessary.
  • a method for the dynamic creation of a schedule of a production plant using a knowledge-based system is known.
  • the created schedule is dynamically updated to take advantage of synergy effects in sync with the changing production or equipment environment.
  • the schedule is drawn up in compliance with specified rules, which contain the general conditions and specification data required for the production of various products on the equipment side.
  • the predetermined rules can be adapted empirically by experts or experienced plant operators.
  • the method allows interactive monitoring and manual adjustment of a created schedule by a plant operator. Dynamic models for Scheduling is not used; short-term, automated, dynamic rescheduling based on the existing schedule and the current system status, for example in the event of system malfunctions, is not possible.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which allows efficient, dynamic planning and schedule creation of a plant operation with the least possible effort.
  • This task is accomplished by a model-based process for optimized dynamic plant and process planning as well as process plan creation of process or process plant companies, especially in the chemical / pharmaceutical processing industry, in the paper & cellulose, metal production and processing and building materials sectors or the energy supply and / or Energy technology area, using at least one data processing device with processing units, input and display device, which interacts with at least one database and the MES system of the respective plant operation.
  • the method has the features specified in claim 1.
  • a dynamic modeling of the respective plant operation is carried out in a first procedural section for a model-based, optimized dynamic plant and process planning as well as the creation of a process plan.
  • the respective plant operation can have several geographically distributed plant units, each with different intermediate products and resources, such as pipes, reactors, mixers, separators, storage devices, filling devices, switching and control devices, press, stamping, painting and / or welding lines, Blast furnaces, rolling mills, filter systems, conveyors or conveyor belts.
  • intermediate products and resources such as pipes, reactors, mixers, separators, storage devices, filling devices, switching and control devices, press, stamping, painting and / or welding lines, Blast furnaces, rolling mills, filter systems, conveyors or conveyor belts.
  • the description of plant-specific processes or procedures is first of all text-based and / or graphically recorded using corresponding query or input masks and / or with the aid of appropriate editors and automatically converted into a mathematically based description using predefined parameter functions and links.
  • the description of the plant operation preferably contains information regarding material flows and production rate, energy requirements and energy production of the respective equipment, cleaning and maintenance requirements, degree of utilization and efficiency of individual equipment, plant or equipment-specific restrictions or limit values as well as restrictions or limit values the raw, auxiliary and operating supplies.
  • the relevant operational and / or plant-specific parameters in particular the yield, production rate and efficiency of individual operating resources, are automatically assessed on the basis of process, process and / or business data, and the dynamic model is fine-tuned using the aforementioned parameters. and, as a result, developed a model that is as realistic as possible.
  • a validation of the dynamic model is carried out automatically by means of a target / actual value comparison between operating data determined during operation and model-based, and a validated dynamic model is determined as a result. If the dynamic model is not fully confirmed within predetermined limits, the dynamic model or individual partial aspects are iteratively adjusted and / or modified. The type and / or scope of the adjustment depend on the type and severity of the defects or deviations that have occurred.
  • a simulation and analysis of the underlying plant operation is carried out in a second process step based on the created, validated dynamic model. For this, a start or Output system status is determined and the relevant operating parameters are initialized, which includes, for example, determining the material flows, the energy requirement and / or the energy consumption.
  • economically oriented cost functions which are also referred to as -target or penalty functions, are determined, which, taking into account various operating scenarios, advantageously allow an economically and technically oriented optimization of the respective plant operation.
  • An automated running or processing of the various operating scenarios enables a simulation of various disruptive influences, such as a short-term placement of orders or requests and / or a technical misconduct of individual system components or operating resources, as well as an analysis and / or determination of the resulting consequences.
  • corresponding measures for damage or accident limitation or prevention can already be provided and / or carried out in advance, such as the provision of a corresponding contingent of replacement equipment or maintenance of a corresponding inventory.
  • a first step is then automated based on the available resources, such as usable system components and / or units, operating resources as well as raw, auxiliary and operating materials, in a first step for the production of the requested products or Products determined or created.
  • This determines the production goal of plant operation to be achieved. Accordingly, it serves as a reference value in a target / actual value comparison.
  • the state of the intermediate products and relevant values of unmeasured or measurable quantities are automatically estimated using a state estimator.
  • a process plan optimized to the respective production target to guarantee and achieve the set objective and thus a technically and economically efficient plant operation is determined automatically.
  • the aforementioned schedule is based on optimizing at least one predetermined economically oriented cost function and specifying the measures required for this.
  • mixed-integer optimization methods are preferably used, which are subject to the following general formalism:
  • W denotes the cost function to be optimized, in particular minimized, which relates, for example, to the manufacturing costs or manufacturing time of the desired product range.
  • the vector X k denotes the state of the respective plant operation and thus also the products and intermediate products available at the respective time.
  • the educts or raw, auxiliary and operating materials are denoted by the vector U k .
  • the state X + i results here according to a function f as a function of the previous state X k , the raw, auxiliary and operating materials U k and further means y k , in particular operating means.
  • Z k designates the productivity or distribution or yield of the respective plant operation and results according to a function h, for example as a function of X k , y k and u k .
  • optimization methods can also be used, for example using genetic algorithms, simulated annealing, rule-based methods, constraint programming or taboo search.
  • FIG. 11 shows a process sequence when modeling a plant operation
  • FIG. 2 shows an exemplary process sequence for creating a first flow chart
  • Figure 3 shows an exemplary process scheme for dynamic
  • Figure 4 shows an exemplary system.
  • a realistic model 15 of the plant operation is generated step by step for at least one processing unit of the data processing device 20 for a model-based, optimizing plant and process planning as well as the creation of a process plan for a plant operation.
  • a description of the plant operation that is as accurate as possible and a dynamic model 13 based on it are generated in a first step 12 by means of a first processing unit.
  • process, process and / or business data 17 are used to estimate the relevant operational and / or plant-specific parameters, in particular the yield and production rate, and fine-tune the dynamic model using the aforementioned parameters, and result in a realistic model 15 developed.
  • a setpoint / actual value comparison is made between the realistic model 15 developed and real operating data 18 of the system in operation, and thus a validation of the dynamic model 13 forming the starting point.
  • a renewed process run optionally starting with the first step 12 or second step 14, iteratively adjusts and / or modifies the dynamic model 13 or individual sub-areas until a corresponding agreement is reached.
  • the type and / or scope of the adjustment depend on the type and severity of the defects that have occurred, which can be determined, for example, on the basis of predetermined limit values and boundary conditions, which in particular also have to meet safety-related and equipment-specific requirements.
  • a simulation and analysis 24 of the underlying system operation is then carried out in a facultative second method section 24 by means of further processing units of the data processing device and in a third method section 26 an optimized, coordinated first schedule 27 is created.
  • the system used to carry out the method in this case has at least one data processing device 20 with a plurality of processing units, input and display device which interacts via a communication link with at least one data memory 22 and the MES system 30 of the respective plant operation.
  • the data processing device 20 or its processing units are set up to carry out dynamic modeling of the plant operation in a first process section 10, to carry out a simulation and analysis of the entire plant operation in an optional second process section 24, and in a third process section 26 on the basis of information or data relating to it of the available resources 36, such as system components and raw, auxiliary and operating materials, which are stored, for example, on the data memory 22, and taking into account the incoming order or the inquiries 25 or the order situation, a first schedule 27 for the production of the products or products and to determine or create.
  • the available resources 36 such as system components and raw, auxiliary and operating materials
  • a prioritization which corresponds to the order backlog 25, for example, depending on the required delivery date and / or the required quality and / or the type of products to be manufactured, to ensure technically and economically efficient plant operation.
  • the automated creation of appropriate material and / or order lists for the timely procurement or subsequent procurement of the raw, auxiliary and operating materials required for the fulfillment of the schedule and thus product manufacture is also advantageously possible.
  • the created first schedule 27 is then transferred to the execution of the plan 30 and implementation to the MES system interacting with the respective plant operation.
  • an acknowledgment method 31 can optionally be implemented, which asks the operator or user for reinsurance whether the first run plan 27 that has been created is to be transferred to the MES system for execution.
  • the first schedule 27 is accordingly only transmitted to the MES system for execution or implementation after a positive confirmation or acknowledgment. If there is no positive confirmation, the first schedule 27 is discarded and a corresponding new schedule is created.
  • FIG. 3 shows an exemplary process scheme which, according to the process, during ongoing plant operation and / or ongoing processing of a created schedule, in particular in the event of faults 34 and / or further incoming orders 32 and / or a re-prioritization 32 of the goods or products to be produced allows a dynamic update of the first schedule to be processed, for example.
  • the MES system in particular when at least one further request or at least one further order 32 and / or a required repriorisation 32 of the products to be manufactured, for example due to changing delivery conditions and / or changing material availability, which, like, for example, equipment failure, can be understood as a malfunction 34 of the ongoing system operation based on the available standing resources 36, which include, for example, usable system components or units, operating resources as well as raw, auxiliary and operating materials, and / or taking into account economically relevant data 36, such as the prevailing market prices, automated, in a further method step 28, an adaptation or update of the first schedule 27, for example, is carried out and the result is an optimized, updated schedule 29.
  • an optional assessment and / or check of the feasibility of the received order 32 or a check of the technical and economic feasibility of the product on which the respective inquiry is based and / or a check of the feasibility of the repriorization 32 to be carried out can advantageously be carried out become.
  • the plant and process plans 27, 29, which are drawn up in accordance with the method and which, for example, include precise information about which processes or procedures are carried out when and where, that is to say with which plant components and / or which resources, which starting materials or raw materials for when and where needed, in which way the corresponding educts get there and which products or intermediate products have to be generated where, at what time and at what rate and / or where and how they are stored or stored can be stored on a data storage device 22 in a retrievable manner.
  • Information relating to, for example, equipment status, maintenance plans and / or measures, material flows, raw materials, auxiliary materials and supplies, energy supply, energy requirements, energy generation, degree of utilization, inquiries and information regarding the respective market situation can also be stored on a data storage device and / or in a database 22 can be retrievably stored and retrieved or read in as required.
  • the automated revision 28 of the first schedule 27 is preferably carried out using mixed-integer optimization methods.
  • automating the revision process both the response time of the Systems as well as the changeover time of the plant operation in an advantageous manner.
  • complex manual new entries for example plant-specific parameters, the susceptibility to errors of the overall system is reduced and thus its reliability is increased.
  • an appropriate communication link such as a WAN or LAN or Internet connection is then optimized created updated schedule in a further step automatically transmitted, and • there converted to the implementation or implementation to the MES system 30 of the plant operation, which advantageously accelerated Conditioning and efficient adaptation of the entire plant operation achieved and errors or malfunctions due to manual entries or delays avoided.
  • a communication link in the form of a radio network can also be implemented.
  • an acknowledgment method 31 can optionally be implemented, which asks the operator or user for reinsurance whether the schedule currently being processed is to be replaced by the updated schedule 29.
  • the updated schedule 29 is accordingly only transmitted to the MES system for execution or implementation after a positive confirmation or acknowledgment. If there is no positive confirmation, the updated schedule 29 is discarded.
  • MES system 30 registers any malfunctions 34 in plant operation that occur during the execution or implementation 30 of the respective schedule 27, 29, for example in the form of equipment malfunctions and / or failures and / or material flow disorders and / or deviations from the schedule to be processed or recorded and / or entered by the operator.
  • Relevant data and information relating to the fault 34 are transmitted to at least one database 22 in order to update the existing database.
  • the database 22 interacts with the data processing device 20 executing the method, so that the updated database of the at least one database 22 can be called up by the data processing device 20 and introduced into the method.
  • the retrieval or reading of the updated data stock which includes, for example, updated information regarding available resources 36 and / or financial data 36, can be event and process-controlled in this case by, for example, registering or receiving a data generated and sent to by the MES system Data processing device 20 directed message 35 about the presence of a fault 34 and / or upon detection of the change in the data inventory of the database 22 can be initiated by means of cyclical status queries 33.
  • the type and severity of the reported fault 34 determine whether there is an equipment failure or only a reduction in the performance of the equipment and / or how far-reaching its effects on other processes of the system operation, or depending
  • the type and scope of the database update for example in the case of equipment replacement, a model update in a further method step 37 and / or in a further method step 28 an automatic adaptation or update of the schedule 27 to be processed, and accordingly an optimization that is optimized for the respective plant operation or its process sequences , updated schedule 29 created. This is then transferred to the MES system 30 for implementation or execution in accordance with the method, possibly with the interposition of an acknowledgment method 31.
  • the MES system 30 If a created schedule is completely processed, the MES system 30 generates a corresponding message 38, transmits it to the data processing device 20 and processes it there in an event-controlled manner by marking the job as done in a further method step 40 and all relevant data relating to the job in the at least one database 22 can be stored. According to the method, the progress of the processing of a flowchart can also be checked by means of cyclical status requests 39 addressed to the MES system 30.
  • a schedule update for example, by prioritizing a product that at least corresponds in type and quality to the product batch or the query on which it is based.
  • the entire execution of the planning and the creation or adaptation of the schedule can advantageously be integrated into an existing control system or coupled to it.
  • on-line access to the control, monitoring and / or control system and an almost real-time schedule creation and schedule-dependent system control are advantageously possible and can be carried out via the MES system 30.
  • Fig. 4 is an exemplary system for model-based, optimized dynamic plant and process planning and flowchart creation of process or procedural plant operations, in particular a manufacturing or production company in the processing industry, with at least one data processing device 20 with processing units 44, 46 input and Display device 48 shown.
  • the data processing device 20 interacts with at least one data memory with database 22 and the MES system 30 of the respective system operation, for example via a communication link, in particular a WAN, LAN or Internet connection, with the MES system 30.
  • the plant operation 49 shown here comprises a multi-product plant with n plant components 50, which has an MES system 30 with quality monitoring and connection to the n control systems 45 of the respective plant components 49, in particular DCS or PLC systems.
  • the data processing device 20 or its processing units 44 are set up to carry out a dynamic modeling of the respective plant operation 49 step by step, based on the created dynamic model 18 and available resources 36 and existing requests, an optimized, model-based first schedule 27 to ensure to determine a technically and economically efficient plant operation 49 and to transmit this to the MES system 30 of the respective plant operation for execution.
  • the system allows the first schedule 27 executed by the MES system 30 to be dynamically adapted as a function of malfunctions 34 and / or a changing order situation 32 during operation of the respective plant operation 49, and to create an optimized, updated schedule 29 and this to be transmitted to the MES system 30 for execution.
  • the MES system 30 and the control or automation systems of the plant operation work together.
  • the MES system 30 acts here as a kind of knowledge or information node in which all information relating to the operation of the system, such as sensor data, status information or production rates of intermediate products or stocks, converge.
  • the MES system 30 interacts with at least one database 22, for example for storing and / or updating data relating to faults 34.

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Abstract

Verfahren und System zur modellbasierten optimierenden Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung von prozess- oder verfahrenstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere eines Fertigungs- oder Produktionsbetriebes in der verarbeitenden Industrie, mittels wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung (20) mit Eingabe- und Anzeigevorrichtung, die mit wenigstens einem Datenspeicher (22) und dem MES-System (30) des Anlagenbetriebes zusammenwirkt. Mittels der Datenverarbeitungseinrichtung (20) wird hierbei zunächst eine dynamische Modellierung und gegebenenfalls Simulation sowie Analyse des Anlagenbetriebes durchgeführt. Anschliessend wird modellbasiert, anhand verfügbarer Betriebsmittel und Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe (36) ein auf den jeweiligen Anlagenbetrieb und die bestehende Auftragslage optimiert abgestimmter Ablaufplan (27) zur Gewährleistung eines technisch und wirtschaftlich effizienten Anlagenbetriebes erstellt. Bei auftretenden Störungen (32, 34) des Anlagenbetreibes, die der Datenverarbeitungseinrichtung (20) gemeldet werden, erfolgt automatisiert eine optimiert dynamische Anpassung des Ablaufplanes (27) so dass ein aktualisierter Ablaufplan (29) erstellt wird. Der jeweils abzuarbeitende Ablaufplan (27, 29) wird nach seiner Erstellung zur Umsetzung bzw. Ausführung an das MES-System übermittelt.

Description

Verfahren und System zur dynamischen, modellbasierten Planung und Optimierung von Produktionsprozessen, sowie zur Ablaufplanerstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimiert dynamischen, modellbasierten Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung von prozeß- und/oder verfahrenstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere von Fertigungs- oder Produktionsbetrieben in der chemisch/pharmazeutisch verarbeitenden Industrie, in den Branchen Papier & Zellstoff, Metalierzeugung und -Verarbeitung und Baustoffe oder im Energietechnik- bzw. Energieversorgungsbereich aber auch im Kraftwerksbereich. Außerdem betrifft die Erfindung ein System zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Die fortschreitende Globalisierung der Wirtschaftsmärkte, verbunden mit dem Anspruch nach stetig steigender Produktqualität und Produktivität industrieller Großanlagen, bei gleichzeitig möglichst niedrigen Kosten, führt zu einer Verschärfung der Wettbewerbssituation und zu stark umkämpften Marktanteilen zwischen den einzelnen Anbietern bzw. Mitbewerbern. Um sich am Markt behaupten zu können ist es demgemäß erforderlich, einen bestehenden Bedarf marktgerecht, das heißt ein bestimmtes Erzeugnis oder eine Dienstleistung in geforderter Qualität zu einem möglichst günstigen Preis, termingerecht mit möglichst geringem Aufwand zu decken oder zu befriedigen. Um Solches zu erreichen und den Anlagenbetrieb möglichst flexibel und wirtschaftlich zu gestalten, werden in der verarbeitenden Industrie verstärkt Mehrproduktanlagen eingesetzt. Diese erlauben es beispielsweise, verschiedenartige Erzeugnisse bzw. Produkte parallel oder in Folge und in jeweils bedarfsabhängigen Mengen herzustellen oder zu verarbeiten.
Viele Unternehmen unterhalten mehrere vorgenannte Mehrproduktanlagen, die sich in aller Regel an eigenständigen, oftmals an geographisch verschiedenen Lokalitäten befinden. Um ein effizientes Zusammenwirken mehrerer Anlageneinheiten , insbesondere auch unter Berücksichtigung beispielsweise ökonomischer, sicherheitsrelevanter und/oder umweit- bzw. ökologisch bedingter Rahmenbedingungen zu erreichen und zu gewährleisten, ist eine den gesamten Anlagenbetrieb betreffende vorausschauende, systematische Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung notwendig.
Um Kunden- bzw. Marktanforderungen in einem auftragsgetriebenen Marktumfeld schnell beantworten zu können und notwendige Entscheidungen, beispielsweise den Versorgungs- oder Materialfluß oder die einsetzbaren bzw. einzusetzenden Betriebsmittel betreffend, treffen zu können, ist angesichts der Komplexität moderner Produktionsbetriebe, insbesondere im Fall von Mehrproduktanlagen, und der damit verbundenen Vielzahl zu verarbeitender Informationen und Daten, der Einsatz entsprechend eingerichteter, leistungsfähiger Datenverarbeitungs- bzw. Planungs- und Feinplanungssysteme unverzichtbar, denn Kunden werden einen anderen Lieferanten wählen, wenn eine Anfrage auf Lieferbarkeit nicht rechtzeitig beantwortet kann. Für den Markterfolg ist weiterhin kritisch, dass Lieferzeiten und Produktqualität den Vereinbarungen entsprechen, da sonst Strafen und / oder Kosten für Nacharbeit anstehen.
Das Optimierungsziel einer Verfahrens- oder prozeßtechnischen Anlagen- und Ablaufplanung besteht hierbei in aller Regel maßgeblich darin, Anfragen bzw. Aufträge termingerecht mit geringstmöglichem Aufwand und geringstmöglichem Ausschuß zu erfüllen.
Die Planungsdurchführung und Ablaufplanerstellung wird zusätzlich noch durch interne Störungen, wie beispielsweise Betriebsmittelausfälle, erforderliche Wartungsarbeiten, nicht eingehaltene Qualitätsanforderungen für Zwischenprodukte und/oder externe Störungen, wie beispielsweise verspätete Rohstofflieferungen oder eilige, einzuschiebende Aufträge sowie Änderungen der Anforderungen, beispielsweise der Prioritäten, erschwert, da die laufende Planung dann hinfällig und eine kurzfristige, automatisierte Neuplanung basierend auf dem aktuellen Planungs- und Anlagenzustand erforderlich werden.
Bekannte Systeme bieten bei Änderungen, wie beispielsweise Störungen, Neuaufträgen oder Repriorisierung, jedoch nur eingeschränkte Möglichkeiten zur kurzfristigen Neuplanung bzw. Ablaufplananpassung, da ihnen, ausgehend von einer stationären Zustandsbeschreibung des Anlagenbetriebes, lediglich ein mathematisch statisches Modell zugrunde liegt. Ein solches Modell beschreibt nur Momentaufnahmen entlang der dynamischen Entwicklung eines Anlagenbetriebes. Die Eigendynamik der Prozesse / Betriebmittel lässt sich nicht vorteilhaft ausnutzen. Zudem führen interne oder externe Störungen oder Änderungen dazu, dass ein Produktionsplan nicht mehr dem sich dynamisch geänderten Umfeld entspricht und damit veraltet ist. Dies ist jedoch unabdingbare Voraussetzung für ein Verfahren oder System, welches es ermöglichen soll, schnell und effizient, das heißt mit optimiert minimalem Aufwand, auf sich ändernde Bedingungen und/oder Voraussetzungen zu reagieren. Der Faktor Zeit bzw. der für eine Ablaufplananpassung benötigte Zeitaufwand gewinnt hierbei, insbesondere im Hinblick auf sich stetig verkürzende Innovationszyklen und Vorlaufzeiten, beispielsweise bei on-line oder Internetanfragen, immer mehr an Bedeutung.
Aus der US 5212791 ist ein Verfahren zur dynamischen Erstellung eines Ablaufplanes eines Produktionsbetriebes unter Verwendung eines wissensbasierten Systems bekannt. Der erstellte Ablaufplan wird zu Nutzung von Synergieeffekten im Gleichgang mit der sich ändernden Produktions- bzw. Betriebsmittelumgebung dynamisch aktualisiert. Der Ablaufplan wird unter Einhaltung vorgegebener Regeln erstellt, welche die zur Herstellung verschiedener Erzeugnisse betriebsmittelseitig erforderlichen Rahmenbedingungen und Spezifikationsdaten enthalten. Die vorbestimmten Regeln können hierbei von Fachleuten oder erfahrenen Anlagenfahrern empirisch angepaßt werden. Das Verfahren erlaubt eine interaktive Überwachung und manuelle Anpassung eines erstellten Ablaufplanes durch einen Anlagenfahrer. Dynamische Modelle zur Ablaufplanung werden nicht eingesetzt, eine kurzfristige, automatisiert dynamische Neuplanung auf Basis des bestehenden Ablaufplanes und des aktuellen Anlagenzustandes, beispielsweise bei auftretenden Störungen des Anlagenbetriebes, ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine effiziente, dynamische Planung sowie Ablaufplanerstellung eines Anlagenbetriebes mit möglichst geringem Aufwand erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein modellbasiertes Verfahren zur optimiert dynamischen Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung von prozeß- oder verfahrenstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere in der chemisch/pharmazeutisch verarbeitenden Industrie, in den Branchen Papier & Zellstoff, Metallerzeugung und - Verarbeitung und Baustoffe oder dem Energieversorgungs- bzw. Energietechnikbereich, unter Verwendung wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung mit Verarbeitungseinheiten, Eingabe- und Anzeigevorrichtung, die mit wenigstens einer Datenbank und dem MES-System des jeweiligen Anlagenbetriebes zusammenwirkt, gelöst. Das Verfahren weist hierbei die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie ein entsprechendes System zur Durchführung des Verfahrens sind in weiteren Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Verfahrensgemäß wird für eine modellbasierte, optimiert dynamische Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung eines Anlagenbetriebes in einem ersten Verfahrensabschnitt eine dynamische Modellierung des jeweiligen Anlagenbetriebes durchgeführt. Der jeweilige Anlagenbetrieb kann hierbei mehrere, geographisch verteilte Anlageneinheiten, mit jeweils differierenden Zwischenprodukten und Betriebsmitteln, wie beispielsweise Rohren, Reaktoren, Mischern, Separatoren, Speichereinrichtungen, Abfülleinrichtungen, Schalt- und Regeleinrichtungen, Press-, Stanz-, Lackier- und/oder Schweißstraßen, Hochöfen, Walzstraßen, Filteranlagen, Fördereinrichtungen oder Transportbändern, aufweisen. Zur dynamischen Modellierung werden in einem ersten Schritt eine möglichst genaue Beschreibung des Anlagenbetriebes sowie darauf aufbauend ein entsprechendes dynamisches Modell generiert. Die Beschreibung anlagenspezifischer Vorgänge oder Abläufe wird hierbei zunächst vermittels entsprechender Abfrage- bzw. Eingabemasken textbasiert und /oder mit Hilfe entsprechender Editoren grafisch erfaßt und automatisiert, unter Verwendung vordefinierter Parameterfunktionen und Verknüpfungen, in eine mathematisch basierte Beschreibung umgewandelt. Die Beschreibung des Anlagenbetriebes weist hierbei vorzugsweise Angaben betreffend Materialflüsse und Produktionsrate, Energiebedarf und Energieerzeugung der jeweiligen Betriebsmittel, Säuberungs- und Wartungsanforderungen, Nutzungsgrad und Effizienz einzelner Betriebsmittel, anlagen- bzw. betriebsmittelspezifische Beschränkungen oder Grenzwerte sowie Beschränkungen oder Grenzwerte die benötigten Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe betreffend, auf.
In einem zweiten Schritt wird anhand von Verfahrens-, Prozeß- und/oder Geschäftsdaten automatisiert eine Abschätzung der relevanten betriebs- und/oder anlagenspezifischen Parameter, insbesondere Ausbeute, Produktionsrate und Effizienz einzelner Betriebsmittel, vorgenommen und anhand vorgenannter Parameter eine Feinabstimmung des dynamischen Modells durchgeführt, sowie resultierend ein möglichst realitätsnahes Modell erarbeitet.
Schließlich wird automatisiert mittels eines Soll-Istwert-Vergleiches zwischen in laufendem Betrieb und modellbasiert ermittelten Betriebsdaten in einem dritten Schritt eine Validierung des dynamischen Modells vorgenommen und resultierend ein validiertes dynamisches Modell bestimmt. Wird das dynamische Modell, innerhalb vorbestimmter Grenzen, nicht in vollem Umfang bestätigt, so erfolgt iterativ eine Anpassung und/oder Modifikation des dynamischen Modells bzw. einzelner Teilaspekte. Art und/oder Umfang der Anpassung richten sich hierbei nach Art und Schwere der aufgetretenen Mängel oder Abweichungen.
Fakultativ wird in einem zweiten Verfahrensabschnitt anhand des erstellten, validierten dynamischen Modells eine Simulation und Analyse des zugrunde gelegten Anlagenbetriebes durchgeführt. Hierfür wird zunächst ein Start- oder Ausgangsanlagenzustand ermittelt sowie eine Initialisierung der relevanten Betriebsparameter, welche beispielsweise eine Bestimmung der Materialflüsse, des Energiebedarfs und/oder des Energieverbrauchs umfaßt, durchgeführt. Im Rahmen der Simulation und Analyse des Anlagenbetriebes werden unter anderem wirtschaftlich orientierte Kostenfunktionen, die auch als -Ziel- oder Straffunktionen bezeichnet werden, bestimmt, die unter Berücksichtigung verschiedenartiger Betriebsszenarien vorteilhaft eine sowohl wirtschaftlich als auch technisch ausgerichtete Optimierung des jeweiligen Anlagenbetriebes erlauben. Ein automatisiertes Durchlaufen bzw. Abarbeiten der verschiedenen Betriebsszenarien ermöglicht eine Simulation verschiedener Störeinflüsse, wie beispielsweise ein kurzfristiges Plazieren von Bestellungen oder Anforderungen und/oder ein technisches Fehlverhalten einzelner Anlagenkomponenten oder Betriebsmittel, sowie eine Analyse und/oder Bestimmung der sich daraus ergebenden Folgen. Vorausschauend können somit im Vorhinein bereits entsprechende Maßnahmen zur Schadens- bzw. Störfallbegrenzung oder -verrmeidung vorgesehen und/oder vorgenommen werden, wie beispielsweise die Bereitstellung eines entsprechenden Kontingentes an Ersatzbetriebsmitteln oder Aufrechterhaltung eines entsprechenden Lagerbestandes.
In einem dritten Verfahrensabschnitt wird daraufhin modellbasiert, anhand der zur Verfügung stehenden Ressourcen, wie beispielsweise einsetzbare Anlagenkomponenten und/oder -einheiten, Betriebsmittel sowie Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, in einem ersten Schritt automatisiert ein erster Ablaufplan für die Herstellung der angeforderten Produkte bzw. Erzeugnisse bestimmt bzw. erstellt. Durch diesen wird das zu erreichende Produktionsziel des Anlagenbetriebes festgelegt. Er dient demgemäß als Referenzwert bei einem Soll-Istwert-Vergleich. In einem zweiten Schritt wird mittels eines Zustandsschätzers automatisiert die Menge der anfallenden Zwischenprodukte sowie relevante Werte nicht gemessener bzw. meßbarer Größen abgeschätzt. Ein optimiert an das jeweilige Produktionsziel angepaßter Ablaufplan zur Gewährleistung und Erreichung der gesteckten Zielsetzung und damit eines technisch und wirtschaftlich effizienten Anlagenbetriebes wird automatisiert in einem dritten Schritt bestimmt. Vorgenannter Ablaufplan stellt darauf ab, wenigstens eine vorbestimmte wirtschaftlich orientierte Kostenfunktion zu optimieren, und die dafür erforderlichen Maßnahmen anzugeben. Vorteilhaft wird in einem weiteren Schritt bei auftretenden Störungen oder Fehlverhalten des Anlagenbetriebes, beispielsweise instandhaltungsbedingt, bei Ausfall einzelner Betriebsmittel, bei ungeplanten Veränderungen der Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, bei Qualitätsmängeln, oder aber bei Eingang einer neuen Anfrage oder Anforderung oder Repriorisierung der vorliegenden Anfragen, automatisiert eine Anpassung bzw. Überarbeitung des bereits erstellten Ablaufplanes durchgeführt. Hierfür werden vorzugsweise gemischt-ganzzahlige Optimierungsverfahren eingesetzt, die dem folgenden generellen Formalismus unterliegen:
min W ( x k , y k , u k ) (Minimum der Kostenfunktion W)
X k + 1 = J X k > U k > y k ) z k = h { x k , y k , u k ) x G X c K Raum der positiven reellen Zahlen y G ϊ c N Raum der natürlichen Zahlen
W bezeichnet hierbei die zu optimierende, insbesondere zu minimierende, Kostenfunktion, die beispielsweise die Herstellungskosten oder Herstellungszeit der gewünschten Produktpalette betrifft. Der Vektor Xk bezeichnet den Zustand des jeweiligen Anlagenbetriebes und damit auch die zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Produkte und Zwischenprodukte. Die Edukte bzw. Roh-, Hilfs-, und Betriebsstoffe werden durch den Vektor Uk bezeichnet. Der Zustand X +i ergibt sich hierbei gemäß einer Funktion f in Abhängigkeit des vorausgegangenen Zustandes Xk, der Roh-, Hilfs-, und Betriebsstoffe Uk sowie weiteren Mitteln yk, insbesondere Betriebsmittel. Zk bezeichnet hierbei die Produktivität bzw. Ausschüttung oder Ertrag des jeweiligen Anlagenbetriebes und ergibt sich gemäß einer Funktion h beispielsweise in Abhängigkeit von Xk, yk und uk. Es sind jedoch grundsätzlich auch Optimierungsverfahren einsetzbar, die beispielsweise Genetische Algorithmen, Simulated Annealing, regelbasierte Verfahren, Constraint Programming oder Taboo Search verwenden.
Durch automatisierte Erstellung oder Überarbeitung bzw. Aktualisierung des jeweiligen Ablaufplanes, insbesondere auch im laufenden Betrieb der Anlage bzw. des Anlagenbetriebes, mittels vorzugsweise gemischt-ganzzahliger Optimierungsverfahren, die im Planungsbereich eine vergleichsweise zügige Optimierung sowie eine optimierte Ablaufplanerstellung mit vergleichsweise hoher Genauigkeit erlauben, wird wertvolle Reaktionszeit eingespart. Eine aufwendige manuelle Neueingabe anlagenspezifischer Parameter durch entsprechendes Fachpersonal ist hier nicht mehr erforderlich Eine manuelle, auch simulationsgestützte Planung entfällt. Der optimiert erstellte bzw. aktualisierte Ablaufplan wird dann automatisiert zur Ausführung an das jeweilige MES- System (Manufacturing Execution System) des Anlagenbetriebes übermittelt, beispielsweise vermittels entsprechender Kommunikations- und/oder Daten- und/oder Netzwerkverbindungen, und dort umgesetzt, wobei das MES-System mit dem Automatisierungssystem, beispielsweise einem DCS- (Digital Control System) oder SPS-System, des Anlagenbetriebes zusammenwirkt. Auch hierdurch wird vorteilhaft eine beschleunigte Konditionierung und Anpassung des gesamten Anlagenbetriebes erreicht, wobei Übermittlungsfehler durch Vermeidung manueller Eingaben weitgehend ausgeschlossen werden.
Anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 l einen Verfahrensablauf bei Modellierung eines Anlagenbetriebes,
Figur 2 einen beispielhaften Verfahrensablauf für die Erstellung eines ersten Ablaufplanes,
Figur 3 ein beispielhaftes Verfahrensschema für die dynamische
Aktualisierung des ersten Ablaufplans, insbesondere bei auftretenden Störungen und/oder weiterem Auftragseingang, und
Figur 4 ein beispielhaftes System. Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, wird zur modellbasierten, optimierenden Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung eines Anlagenbetriebes in einem ersten Verfahrensabschnitt 10 mittels wenigstens einer Verarbeitungseinheit der Datenverarbeitungseinrichtung 20 schrittweise ein realitätsnahes Modell 15 des Anlagenbetriebes generiert. Hierfür wird mittels einer ersten Verarbeitungseinheit in einem ersten Schritt 12 eine möglichst genaue Beschreibung des Anlagenbetriebes sowie ein darauf aufbauendes dynamisches Modell 13 generiert.
In einem zweiten Schritt 14 werden anhand von Verfahrens-, Prozeß- und/oder Geschäftsdaten 17 eine Abschätzung der relevanten betriebs- und/oder anlagenspezifischen Parameter, insbesondere Ausbeute und Produktionsrate, vorgenommen und anhand vorgenannter Parameter eine Feinabstimmung des dynamischen Modells durchgeführt, sowie resultierend ein realitätsnahes Modell 15 erarbeitet.
Schließlich wird in einem dritten Schritt 16 ein Soll-Istwert- Vergleich zwischen dem erarbeiteten realitätsnahen Modell 15 und realen Betriebsdaten 18 der im Betrieb befindlichen Anlage und damit eine Validierung des die Ausgangsbasis bildenden dynamischen Modells 13 vorgenommen.
Wird das dynamische Modell 13, innerhalb vorbestimmter Grenzen, nicht in vollem Umfang bestätigt, so erfolgt mittels erneutem Verfahrensdurchlauf, fakultativ beginnend beim ersten Schritt 12 oder zweiten Schritt 14, iterativ eine Anpassung und/oder Modifikation des dynamischen Modells 13 bzw. einzelner Teilbereiche, bis eine entsprechende Übereinstimmung erreicht wird. Art und/oder Umfang der Anpassung richten sich hierbei nach Art und Schwere der aufgetretenen Mängel, die beispielsweise anhand vorbestimmter Grenzwerte und Randbedingungen, die insbesondere auch sicherheitsrelevanten und betriebsmittelspezifischen Erfordernissen zu genügen haben, bestimmt werden können. Basierend auf dem erstellten validierten dynamischen Modell 18 wird dann, wie in Fig. 2 gezeigt, mittels weiterer Verarbeitungseinheiten der Datenverarbeitungseinrichtung in einem fakultativen zweiten Verfahrenabschnitt 24 eine Simulation und Analyse 24 des zugrunde gelegten Anlagenbetriebes vorgenommen sowie in einem dritten Verfahrensabschnitt 26 ein optimiert abgestimmter erster Ablaufplan 27 erstellt.
In Fig. 2 ist ein beispielhafter Verfahrensablauf mit zugrunde gelegter modellbasierter und optimierter Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung eines ersten Ablaufplanes 27 eines Anlagenbetriebes, insbesondere eines Anlagenbetriebes mit mehreren Anlagenkomponenten, gezeigt. Das zur Ausführung des Verfahrens eingesetzte System weist hierbei wenigstens eine Datenverarbeitungseinrichtung 20 mit mehreren Verarbeitungseinheiten, Eingabe- und Anzeigevorrichtung auf, die über eine Kommunikationsverbindung mit wenigstens einem Datenspeicher 22 sowie dem MES- System 30 des jeweiligen Anlagenbetriebes zusammenwirkt. Die Datenverarbeitungseinrichtung 20 bzw. ihre Verarbeitungseinheiten sind dafür eingerichtet, in einem ersten Verfahrensabschnitt 10 eine dynamische Modellierung des Anlagenbetriebes durchzuführen, in einem fakultativen zweiten Verfahrensabschnitt 24 eine Simulation sowie Analyse des gesamten Anlagenbetriebes durchzuführen und in einem dritten Verfahrensabschnitt 26 anhand von Angaben bzw. Daten bezüglich der verfügbaren Ressourcen 36, wie beispielsweise Anlagenkomponenten und Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, die beispielsweise auf dem Datenspeicher 22 abrufbar gespeichert sind, sowie unter Berücksichtigung des vorliegenden Auftragseingangs bzw. der vorliegenden Anfragen 25 bzw. der Auftragslage einen ersten Ablaufplan 27 für die Herstellung der Produkte bzw. Erzeugnisse und zu bestimmen bzw. zu erstellen. Anhand der vorliegenden bzw. eingegangenen Aufträge bzw. Anfragen sowie anhand verfügbarer Anlagenkomponenten und Roh-, Hilfs und Betriebsstoffen wird hierbei nach fakultativer Überprüfung der Herstellbarkeit der georderten Produkte, eine, unter anderem dem Auftragsbestand 25 entsprechende Priorisierung, beispielsweise abhängig vom geforderten Lieferdatum und/oder der geforderten Qualität und/oder der Art der herzustellenden Produkte, zur Gewährleistung eines technisch und wirtschaftlich effizienten Anlagenbetriebes durchgeführt. Auch die automatisierte Erstellung entsprechender Material- und/oder Bestellisten zur termingerechten Beschaffung bzw. Nachbeschaffung der für die Ablaufplanerfüllung und somit Produktherstellung erforderlichen Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe ist vorteilhaft vorsehbar. Der erstellte erste Ablaufplan 27 wird dann zur Planausführung 30 und Umsetzung an das mit dem jeweiligen Anlagenbetrieb zusammenwirkende MES-System überstellt.
Als vorteilhafte Ausgestaltung ist fakultativ ein Quittierverfahren 31 implementierbar, welches zur Rückversicherung beim Bediener bzw. Anwender nachfragt, ob der erstellte erste Ablaüfplan 27 zur Ausführung an das MES-System überstellt werden soll. Der erste Ablaufplan 27 wird demgemäß erst nach positiver Bestätigung bzw. Quittierung an das MES-System zur Ausführung bzw. Umsetzung übermittelt. Erfolgt keine positive Bestätigung, so wird der erste Ablaufplan 27 verworfen, und ein entsprechend neuer Ablaufplan wird erstellt.
In Fig. 3 ist ein beispielhaftes Verfahrensschema gezeigt, welches bei laufendem Anlagenbetrieb und/oder laufender Abarbeitung eines erstellten Ablaufplans, insbesondere bei auftretenden Störungen 34 und/oder weiterem Auftragseingang 32 und/oder einer erforderlich gewordenen Repriorisierung 32 der herzustellenden Güter bzw. Produkte, verfahrensgemäß eine dynamische Aktualisierung des beispielsweise abzuarbeitenden ersten Ablaufplans erlaubt. Hierfür werden mittels der dafür eingerichteten Datenverarbeitungseinrichtung 20, die mit wenigstens einem Datenspeicher 20 und dem MES-System 30 des jeweiligen Anlagenbetriebes zusammenwirkt, bei laufender Abarbeitung bzw. Umsetzung des jeweiligen Ablaufplans, durch das MES-System insbesondere bei Eingang wenigstens einer weiteren Anfrage bzw. wenigstens eines weiteren Auftrages 32 und/oder einer erforderlichen Repriorisierung 32 der herzustellenden Erzeugnisse, beispielsweise aufgrund sich ändernder Lieferbedingungen und/oder sich ändernder Materialverfügbarkeiten, die, ebenso wie beispielsweise ein Betriebsmittelausfall, als Störung 34 des laufenden Anlagenbetriebes verstanden werden können, anhand der zur Verfügung stehenden Ressourcen 36, die beispielsweise einsetzbare Anlagenkomponenten bzw. -einheiten, Betriebsmittel sowie Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe umfassen, und/oder unter Berücksichtigung wirtschaftlich relevanter Daten 36, wie beispielsweise vorherrschende Marktpreise, automatisiert in einem weiteren Verfahrensschritt 28 eine Anpassung bzw. Aktualisierung des beispielsweise ersten Ablaufplanes 27 vorgenommen und resultierend ein optimiert abgestimmter, aktualisierter Ablaufplan 29 erstellt. Dem Verfahrensschritt der Ablaufplanaktualisierung 28 vorgeschaltet kann hierbei vorteilhaft eine fakultative Bewertung und/oder Prüfung der Erfüllbarkeit des eingegangenen Auftrags 32 bzw. eine Prüfung der technischen und wirtschaftlichen Herstellbarkeit des der jeweiligen Anfrage zugrunde liegenden Erzeugnisses und/oder eine Prüfung der Ausführbarkeit der vorzunehmenden Repriorisierung 32 durchgeführt werden.
Vorteilhaft ist basierend auf dem zugrunde gelegten dynamischen Modell 13, 18 hier keine vollständige Neumodellierung des Anlagenbetriebes erforderlich. Notwendige Aktualisierungen des beispielsweise ersten Ablaufplanes 27 und Erstellung des aktualisierten Ablaufplanes 29 können im laufenden Betrieb der Anlage vorgenommen werden, wodurch der erforderliche Aufwand, insbesondere in planungstechnischer und/oder wirtschaftlicher bzw. finanzieller Hinsicht, gegenüber bekannten Verfahren vergleichsweise stark reduziert wird.
Die verfahrensgemäß erstellten Anlagen- und Ablaufpläne 27, 29, die beispielsweise zeitgenaue Angaben darüber umfassen, welche Prozesse- oder Verfahren wann und wo, das heißt mit welcher Anlagenkomponente und/oder welchem Betriebsmittel, durchgeführt werden, welche Edukte bzw. Rohstoffe dafür wann und wo benötigt werden, auf weiche Weise die entsprechenden Edukte dorthin gelangen und welche Produkte oder Zwischenprodukte zu welchem Zeitpunkt und mit welcher Rate wo erzeugt werden müssen und/oder wo und wie sie gelagert oder gespeichert werden, können abrufbar auf einem Datenspeicher 22 gespeichert werden. Auch Informationen, betreffend beispielsweise Betriebsmittelzustände, Instandhaltungspläne und/oder - maßnahmen, Materialflüsse, Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, Energieversorgung, Energiebedarf, Energieerzeugung, Nutzungsgrad, Anfragen sowie Angaben betreffend die jeweilige Marktsituation, können auf einem Datenspeicher und /oder in einer Datenbank 22 abrufbar gespeichert und bedarfsabhängigabgerufen bzw. eingelesen werden.
Die automatisierte Überarbeitung 28 des ersten Ablaufplanes 27 erfolgt vorzugsweise unter Verwendung gemischt-ganzzahliger Optimierungsverfahren. Durch die Automatisierung des Überarbeitungsprozesses werden sowohl die Reaktionszeit des Systems als auch die Umstellzeit des Anlagenbetriebes in vorteilhafter Weise verkürzt. Darüber hinaus wird durch eine Vermeidung aufwendiger manueller Neueingaben, beispielsweise anlagenspezifischer Parameter, die Fehleranfälligkeit des Gesamtsystems reduziert und damit seine Zuverlässigkeit erhöht.
Vermittels einer entsprechenden Kommunikationsverbindung, beispielsweise einer WAN- oder LAN- oder Internetverbindung, wird der optimiert erstellte aktualisierte Ablaufplan dann in einem weiteren Schritt automatisiert zur Umsetzung bzw. Ausführung an das MES-System 30 des Anlagenbetriebes übermittelt und dort • umgesetzt, wodurch vorteilhaft eine beschleunigte Konditionierung und effiziente Anpassung des gesamten Anlagenbetriebes erreicht und Fehler oder Störungen aufgrund manueller Eingaben oder zeitlicher Verzögerungen vermieden werden. Eine Kommunikationsverbindung in Form eines Funknetzes ist ebenfalls realisierbar.
Als vorteilhafte Ausgestaltung ist fakultativ ein Quittierverfahren 31 implementierbar, welches zur Rückversicherung beim Bediener bzw. Anwender nachfragt, ob der Ablaufplan der momentan abgearbeitet wird durch den aktualisierten Ablaufplan 29 ersetzt werden soll. Der aktualisierte Ablauf plan 29 wird demgemäß erst nach positiver Bestätigung bzw. Quittierung an das MES-System zur Ausführung bzw. Umsetzung übermittelt. Erfolgt keine positive Bestätigung, so wird der aktualisierte Ablaufplan 29 verworfen.
Bei der Ausführung bzw. Umsetzung 30 des jeweiligen Ablaufplans 27, 29 auftretende Störungen 34 des Anlagenbetriebes, beispielsweise in Form von Betriebsmittelfehlfunktionen und/oder -ausfällen und/oder Störungen des Materialflusses und/oder Abweichungen vom abzuarbeitenden Ablaufplan, werden vom MES-System 30 registriert bzw. erfasst und/oder vom Bediener eingegeben. Die Störung 34 betreffende relevante Daten und Informationen werden zur Aktualisierung des vorliegenden Datenbestandes an wenigstens eine Datenbank 22 übertragen. Die Datenbank 22 wirkt mit der verfahrensausführenden Datenverarbeitungseinrichtung 20 zusammen, so dass der aktualisierte Datenbestand der wenigstens einen Datenbank 22 von der Datenverarbeitungseinrichtung 20 abgerufen und ins Verfahren eingebracht werden kann. Der Abruf bzw. das Einlesen des aktualisierten Datenbestandes, der beispielsweise aktualisierte Angaben betreffend verfügbarer Ressourcen 36 und/oder finanzielle Daten 36 umfasst, kann hierbei Verfahrens- und/oder systemgemäß ereignisgesteuert durch beispielsweise Registrierung bzw. Empfang einer vom MES-System generierten und an die Datenverarbeitungseinrichtung 20 gerichteten Meldung 35 über das Vorliegen einer Störung 34 und/oder bei Feststellung der Änderung des Daten bestandes der Datenbank 22 mittels zyklischer Statusabfragen 33 initiiert werden.
Basierend auf vorgenannten Angaben bzw. dem aktualisierten Datenbestand wird abhängig von der Art und Schwere der gemeldeten Störung 34, beispielsweise ob ein Betriebsmittelausfall oder lediglich eine Leistungsverminderung des Betriebsmittels vorliegt und/oder wie weitreichend deren Auswirkungen auf andere Prozesse des Anlagenbetriebes sind, bzw. in Abhängigkeit von Art und Umfang der Datenbankaktualisierung, beispielsweise bei Betriebsmittelersatz, in einem weiteren Verfahrensschritt 37 eine Modellaktualisierung und/oder in einem weiteren Verfahrensschritt 28 automatisiert eine Anpassung bzw. Aktualisierung des abzuarbeitenden Ablaufplanes 27 vorgenommen und demgemäß ein optimiert auf den jeweiligen Anlagenbetrieb bzw. dessen Prozessabläufe abgestimmter, aktualisierter Ablaufplan 29 erstellt. Dieser wird dann verfahrensgemäß, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Quittierverfahrens 31, zur Umsetzung bzw. Ausführung an das MES-System 30 überstellt.
Ist ein erstellter Ablaufplan vollständig abgearbeitet, so wird vom MES-System 30 eine entsprechende Meldung 38 generiert, an die Datenverarbeitungseinrichtung 20 übermittelt und dort ereignisgesteuert verarbeitet, indem der Auftrag in einem weiteren Verfahrensschritt 40 als erledigt markiert sowie alle relevanten Daten den Auftrag betreffend in der wenigstens einen Datenbank 22 gespeichert werden. Eine Überprüfung des Fortgangs der Abarbeitung eines Ablaufplans kann hierbei verfahrensgemäß auch durch zyklische, an das MES-System 30 gerichtete Statusanfragen 39 erfolgen. Ergeht vom MES-System im Verlauf der Abarbeitung des Ablaufplanes an die Datenverarbeitungseinrichtung 20 im Rahmen vorgenannter zyklischer Statusabfragen 39 und/oder ereignisorientiert beispielsweise die Meldung 41 , dass die Ist-Qualität einer Produktcharge von der bezüglich des Ablaufplans geforderten Soll-Qualität abweicht, so erfolgt zur Ausschussvermeidung eine Ablaufplanaktualisierung, indem beispielsweise ein der Produktcharge zumindest in Art und Qualität entsprechendes Erzeugnis bzw. die ihm zugrunde liegende Anfrage priorisiert wird.
Die gesamte Planungsausführung und Ablaufplanerstellung bzw. -anpassung ist hierbei vorteilhaft in ein bestehendes Leitsystem integrierbar bzw. mit diesem koppelbar. Verfahrensgemäß sind vorteilhaft über das MES-System 30 ein on-line-Zugriff auf das Regel-, Kontroll- und/oder Leitsystem und eine annähernd Echtzeit-Ablaufplanerstellung sowie ablaufplanabhängige Anlagenregelung möglich und durchführbar.
In Fig. 4 ist ein beispielhaftes System zur modellbasierten, optimiert dynamischen Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung von prozeß- oder verfahrenstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere eines Fertigungs- oder Produktionsbetriebes in der verarbeitenden Industrie, mit wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung 20 mit Verarbeitungseinheiten 44, Eingabe- 46 und Anzeigevorrichtung 48 gezeigt. Die Datenverarbeitungseinrichtung 20 wirkt hierbei mit wenigstens einem Datenspeicher mit Datenbank 22 und dem MES-System 30 des jeweiligen Anlagenbetriebes, beispielsweise über eine Kommunikationsverbindung, insbesondere eine WAN-, LAN- oder Internetverbindung, mit dem MES-System 30 zusammen. Der hier gezeigte Anlagenbetrieb 49 umfasst eine Mehrproduktanlage mit n Anlagenkomponenten 50, die ein MES-System 30 mit Qualitätsüberwachung und Anbindung an die n Leitsysteme 45 der jeweiligen Anlagenkomponenten 49, insbesondere DCS- oder SPS-Systeme.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 20 bzw. ihre Verarbeitungseinheiten 44 sind dafür eingerichtet, schrittweise eine dynamische Modellierung des jeweiligen Anlagenbetriebes 49 durchzuführen, basierend auf dem erstellten dynamischen Modell 18 und zur Verfügung stehenden Ressourcen 36 und vorliegenden Anfragen einen optimiert abgestimmten, modellbasierten ersten Ablaufplan 27 zur Gewährleistung eines technisch und wirtschaftlich effizienten Anlagenbetriebes 49 zu bestimmen und diesen dem MES-System 30 des jeweiligen Anlagenbetriebes zur Ausführung zu übermitteln. Darüber hinaus erlaubt das System, den vom MES-System 30 ausgeführten ersten Ablaufplan 27 in Abhängigkeit auftretender Störungen 34 und/oder einer sich ändernden Auftragslage 32 im laufenden Betrieb des jeweiligen Anlagenbetriebes 49 dynamisch anzupassen, einen optimiert abgestimmten, aktualisierten Ablaufplan 29 zu erstellen und diesen dem MES-System 30 zur Ausführung zu übermitteln.
Das MES-System 30 und die Leit- bzw- Automatisierungssysteme des Anlagenbetriebes wirken zusammen. Das MES-System 30 agiert hierbei als eine Art Wissen- oder Informationsknoten, in welchem alle den Anlagenbetrieb betreffenden Informationen, wie beispielsweise Sensordaten, Statusinformationen oder Produktionsraten von Zwischenprodukten oder Lagerbestände zusammenlaufen. Das MES-System 30 wirkt, beispielsweise zur Speicherung und/oder Aktualisierung von Daten Störfälle 34 betreffend, mit wenigstens einer Datenbank 22 zusammen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur modellbasierten optimiert dynamischen Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung von prozeß- oder verfahrenstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere eines Fertigungs- oder Produktionsbetriebes in der verarbeitenden Industrie, mittels wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung (20) mit Verarbeitungseinheiten, Eingabe- und Anzeigevorrichtung, die mit wenigstens einem Datenspeicher (22) und dem MES-System des jeweiligen Anlagenbetriebes zusammenwirkt, wobei a) in einem ersten Verfahrensabschnitt (10) eine dynamische Modellierung des jeweiligen Anlagenbetriebes durchgeführt und ein entsprechendes dynamisches Modell (13,18) erstellt wird, b) in einem dritten Verfahrensabschnitt (26) basierend auf dem erstellten dynamischen Modell (13,18) und zur Verfügung stehenden Ressourcen (36) und vorliegenden Anfragen ein optimiert abgestimmter, modellbasierter Ablaufplan (27) zur Gewährleistung eines technisch und wirtschaftlich effizienten Anlagenbetriebes bestimmt und dem MES-System des jeweiligen Anlagenbetriebes zur Ausführung übermittelt wird, und c) in einem weiteren Verfahrensabschnitt (28) der vom MES-System ausgeführte Ablaufplan (27,29) in Abhängigkeit auftretender Störungen (34) und/oder einer sich ändernden Auftragslage (32) im laufenden Betrieb des jeweiligen Anlagenbetriebes dynamisch angepasst, ein optimiert abgestimmter, aktualisierter Ablaufplan erstellt und dem MES-System zur Ausführung übermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur dynamischen Modellierung des Anlagenbetriebes im ersten Verfahrensabschnitt (10) a) in einem ersten Schritt (12) eine möglichst genaue Beschreibung des Anlagenbetriebes erstellt und darauf basierend ein dynamisches Modell (13) generiert, b) in einem zweiten Schritt (14) anhand von Prozeß- und Geschäftsdaten (17) eine Abschätzung von betriebs- und/oder anlagenspezifischer Parameter und darauf basierend eine Feinabstimmung des dynamischen Modells (13) und Generierung eines realitätsnahen Modells (15) durchgeführt und c) in einem dritten Schritt (16) eine Validierung des dynamischen Modells (13) anhand eines Soll-Istwert-Vergleiches vorgenommen und ein validiertes dynamisches Modell erstellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei negativem Ergebnis der Validierung (16) der erste oder zweite bis dritte Schritt zur iterativen Anpassung des dynamischen Modells zyklisch durchlaufen werden, bis ein positives Validierungsergebnis vorliegt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass überprüft wird, ob ein eingegangener Auftrag bzw. eine gestellte Anfrage (32) unter Berücksichtigung technisch/wirtschaftlicher Aspekte und/oder der vorliegenden Auftragslage (25) und/oder den verfügbaren Ressourcen (36) fristgerecht abgearbeitet bzw. erfüllt werden kann.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modellierung des Anlagenbetriebes und Erstellung einer möglichst genauen Beschreibung des Anlagenbetriebes a) eine mathematisch basierte Darstellung anlagenspezifischer Vorgänge oder Abläufe, b) eine Darstellung von zur Verfügung stehenden Möglichkeiten zur Deckung des Energiebedarfs, c) eine Darstellung von Nutzungsgraden einzelner Anlagenkomponenten, d) eine Festlegung anlagenspezifischer Beschränkungen, e) eine Festlegung verbrauchsmaterialspezifischer Beschränkungen und f) eine Feinabstimmung des zugrunde gelegten Modells durch Abschätzung der Betriebs- bzw. Produktionsparameter, insbesondere Ausbeute und Produktionsrate, anhand von Prozeß- und Geschäftsdaten (17) vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensabschnitt (24) eine Simulation und Analyse des Anlagenbetriebes durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Simulation und Analyse des Anlagenbetriebes im zweiten Verfahrensabschnitt (24) eine Start- oder Ausgangskonfiguration festgelegt sowie eine Initialisierung der Betriebsparameter des Anlagenbetriebes, die eine Bestimmung des Materialflusses sowie des Energiebedarfs bzw. Energieverbrauchs beinhaltet, durchgeführt werden.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablaufplanerstellung bzw. -Aktualisierung (26,28) und/oder Simulation und Analyse des Anlagenbetriebes (24) wirtschaftlich orientierte Kostenfunktionen eingesetzt werden, die durch Berücksichtigung unterschiedlich konfigurierter Betriebsszenarien eine Optimierung des Anlagenbetriebes erlauben.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der unterschiedlich konfigurierten Betriebsszenarien. Änderungen der Auftragslage (32), insbesondere Plazierungen und/oder Stornierungen von Anfragen bzw. Aufträgen, und/oder Störungen (34), insbesondere ein Fehlverhalten verschiedener Anlagenkomponenten oder Betriebsmittel, und/oder beliebige Abweichungen vom auszuführenden Ablaufplan, insbesondere auftretende Qualitätsunterschiede, nachempfunden bzw. simuliert und die sich daraus ergebenden Folgen bestimmt bzw. analysiert werden.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Störungen (34) des Anlagenbetriebes betreffende relevante Daten und Informationen zur Aktualisierung des zur Ablaufplanerstellung zugrunde zu legenden Datenbestandes an wenigstens eine Datenbank (22), die mit der verfahrensausführenden Datenverarbeitungseinrichtung (20) zusammenwirkt, übertragen und dort abrufbar gespeichert werden.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen von Störungen (34) des Anlagenbetriebes ereignisgesteuert gemeldet und/oder durch zyklische Statusabfragen (33) den Änderungsgrad des aktuellen Datenbestand der Datenbank (22) betreffend ermittelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein vollständig abgearbeiteter Ablaufplan als abgearbeitet markiert und die zugehörigen Daten in einer Datenbank (22) gespeichert werden.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur daß zur Ablaufplanerstellung bzw. -Aktualisierung (26,28) und/oder Simulation und Analyse (24) des Anlagenbetriebes ein Optimierungsverfahren eingesetzt wird, welches a) eine strukturelle Anlagenplanung und b) eine Erstellung eines detaillierten Ablaufplanes, den Anlagenbetrieb betreffend, ermöglicht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim eingesetzten Optimierungsverfahren um ein gemischt-ganzzahliges Optimierungsverfahren handelt.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Optimierungsverfahren Genetische Algorithmen und/oder Simulated Annealing und/oder regelbasierte Verfahren und/oder Constraint Programming und/oder Taboo Search verwendet.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatisierte Erstellung von Material- und/oder Bestellisten zur termingerechten Beschaffung bzw. Nachbeschaffung der für die Ablaufplanerfüllung erforderlichen Roh- Hilfs und Betriebsstoffe erfolgt.
16. System zur modellbasierten, optimiert dynamischen Anlagen- und Ablaufplanung sowie Ablaufplanerstellung von prozeß- oder verfahrenstechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere eines Fertigungs- oder Produktionsbetriebes in der verarbeitenden Industrie, mit wenigstens einer Datenverarbeitungseinrichtung (20) mit Verarbeitungseinheiten, Eingabe- und Anzeigevorrichtung, die mit wenigstens einem Datenspeicher (22) und dem MES-System (30) des jeweiligen Anlagenbetriebes zusammenwirkt und dafür eingerichtet ist, a) eine dynamische Modellierung des jeweiligen Anlagenbetriebes durchzuführen und ein entsprechendes dynamisches Modell (13, 18) zu erstellen, b) basierend auf dem erstellten dynamischen Modell (13, 18) und zur Verfügung stehenden Ressourcen (36) und vorliegenden Anfragen einen optimiert abgestimmten, modellbasierten Ablaufplan (27) zur Gewährleistung eines technisch und wirtschaftlich effizienten Anlagenbetriebes zu bestimmen und diesen dem MES-System des jeweiligen Anlagen betriebes zur Ausführung zu übermitteln und c) den vom MES-System ausgeführten Ablaufplan (27,29) in Abhängigkeit auftretender Störungen (34) und/oder einer sich ändernden Auftragslage (32) im laufenden Betrieb des jeweiligen Anlagenbetriebes dynamisch anzupassen, einen optimiert abgestimmten, aktualisierten Ablaufplan zu erstellen und diesen dem MES-System zur Ausführung zu übermitteln.
17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung (20) zur dynamischen Modellierung des Anlagenbetriebes wenigstens eine Verarbeitungseinheit aufweist, die dafür eingerichtet ist, a) eine möglichst genaue Beschreibung des Anlagenbetriebes zu erstellen und darauf basierend ein dynamisches Modell zu generieren, b) anhand von Prozeß- und Geschäftsdaten eine Abschätzung von betriebs- und/oder anlagenspezifischer Parameter und darauf basierend eine Feinabstimmung des dynamischen Modells und Generierung eines realitätsnahen Modells durchzuführen und c) eine Validierung des dynamischen Modells anhand eines Soll-Istwert- Vergleiches vorzunehmen und ein validiertes dynamisches Modell (18) zu erstellen.
18. System nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung zur Erstellung einer möglichst genauen Beschreibung des Anlagenbetriebes wenigstens eine Verarbeitungseinheit aufweist, die dafür eingerichtet ist, anhand einer textbasierten und / oder grafischen Beschreibung eine mathematisch basierte Darstellung anlagenspezifischer Vorgänge oder Abläufe zu erstellen.
19. System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung zur Erstellung einer möglichst genauen Beschreibung des Anlagenbetriebes wenigstens eine Verarbeitungseinheit aufweist, die dafür eingerichtet ist, a) zur Verfügung stehende Möglichkeiten zur Deckung des Energiebedarfs, b) Nutzungsgrade einzelner Anlagenkomponenten oder Betriebsmittel, c) anlagenspezifischer Beschränkungen und d) verbrauchsmaterialspezifische Beschränkungen zu bestimmen oder zu erfassen.
20. System nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung (20) zur Erstellung einer möglichst genauen Beschreibung des Anlagenbetriebes wenigstens eine Verarbeitungseinheit, den Zustandsschätzer, aufweist, die dafür eingerichtet ist, eine Validierung des zugrunde gelegten Modells durch Abschätzung der Betriebs- bzw. Produktionsparameter, insbesondere Ausbeute und Produktionsrate, anhand von Prozeß- und Geschäftsdaten durchzuführen.
21. System nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Simulation und Analyse des Anlagenbetriebes wenigstens eine Verarbeitungseinheit der Datenverarbeitungseinrichtung (20) dafür eingerichtet ist, eine Start- oder Ausgangskonfiguration festzulegen und eine Initialisierung der Roh-, Hilfs- und Betriebstoffe sowie Zwischenprodukte durchzuführen.
22. System nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung (20) über eine Kommunikationsverbindung, insbesondere eine WAN-, LAN- oder Internetverbindung, mit dem MES-System (30) zusammenwirkt.
23. System nach einem der Ansprüche 16 bis 122, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung (20) über eine drahtlose Kommunikationsverbindung, insbesondere eine Funkverbindung, mit dem MES-System zusammenwirkt.
24. System nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (20) mit dem MES-System (30) gekoppelt ist.
25. System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (20) dafür eingerichtet ist, automatisiert eine Erstellung von Material- und/oder Bestellisten zur termingerechten Beschaffung bzw. Nachbeschaffung der für die Ablaufplanerfüllung erforderlichen Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe durchzuführen.
PCT/EP2002/014627 2001-12-22 2002-12-20 Verfahren und system zur dynamischen, modellbasierten planung und optimierung von produktionsprozessen, sowie zur ablaufplanerstellung WO2003056480A2 (de)

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