WO2011151031A1 - Verfahren und vorrichtung zum anpassen eines produktionsablaufplans für einen produktionsprozess - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum anpassen eines produktionsablaufplans für einen produktionsprozess Download PDF

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process steps
production
energy
optimization
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PCT/EP2011/002593
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Lothar Schuh
Christian Stich
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Abb Technology Ag
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
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    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/50—Systems or methods supporting the power network operation or management, involving a certain degree of interaction with the load-side end user applications

Definitions

  • the invention relates generally to production planning, in particular the control of a production of a production plant, e.g. Energy out
  • the amount of electrical energy unsynchronized with the consumption must be taken from the power plant operators or network operators in accordance with a legal provision and fed into the power grid.
  • Production plant can be operated with a better use of excess electrical energy.
  • the method comprises the following steps:
  • predetermined minimum energy availability exists within a given optimization period based on availability information indicating a predicted energy availability during the optimization period;
  • One idea of the above method is to implement individual process steps of the production process that can be flexibly executed in time, i. be performed within a first or a second time window to provide for that time window in which a certain or higher energy availability exists or expected. These are first made from a
  • the predetermined minimum availability can be determined by an availability threshold, which is in particular an average of the
  • the energy availability may indicate the excess of electrical energy in a power grid.
  • the energy availability may indicate the excess of electrical energy in a power grid.
  • Process step are determined depending on a state variable of the process step, in particular, depending on a current energy availability of the flexible process step is executed immediately.
  • the one or more flexible process steps specify those process steps which are executable in a plurality of alternative time windows within the optimization period, without at least one optimization variable being more than one optimization size tolerance value from a value of the optimization variable determined by the optimization variable original
  • a production planning system is for adjusting a production schedule for one or more production processes
  • the production planning system is configured:
  • a production system having one or more production processes and the above production planning system is provided.
  • a computer program product having a program code which, when executed on a data processing unit, executes the above process of adjusting a production schedule.
  • Figure 1 is a schematic representation of production processes each with a plurality of process steps, controlled by a
  • FIG. 2 shows a flowchart for illustrating a method for
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a production system 1 with a production control unit 2 which monitors and controls one or more production processes 3.
  • Each of the production processes 3 comprises a sequence of one or more process steps 4.
  • the production processes 3 serve to produce one or more end products from one or more raw products or intermediates.
  • the process steps 4 require energy to carry them out, in the present exemplary embodiment electrical energy.
  • the production control unit 2 is connected to a production planning system 5, which is the production control unit 2 information about the timing of the individual process steps 4 available.
  • the information includes for each process step 4 a start time and default values for the respective process step, so that the production control unit 2 can initiate the respective process step at the predetermined start time and transmits to the process step associated production equipment, the default sizes, derived quantities or the like.
  • the production planning system 5 creates a production schedule depending on known production parameters of the individual process steps 4 and on the basis of an optimization function that optimizes the production processes 3 with regard to one or more specific variables.
  • the optimization takes place by suitable temporal arrangement of the individual process steps 4, so that the
  • End product according to a predetermined optimization goal for example, in the given time and / or in the specified quantity and / or quality are produced can.
  • the optimization takes place with regard to the production time of a product to be produced, which is to be minimized. Optimization is performed by known optimization techniques known in the art.
  • the individual process steps 4 require electrical energy for their execution, the amount of which depends considerably on the type of process step in question.
  • a process step 4 may u.U. be performed in multiple, overlapping or non-overlapping alternative time slots without the
  • Result of the production process 3 or the plurality of production processes 3 is affected in terms of one or more optimization variables.
  • availability information on how the availability of electrical energy is currently, ie an indication of the local volume and amount of excess electrical energy.
  • availability information may also include information on how, in the near future, ie, for example, within the next 24 to 28 hours, the availability of electrical energy in the power grid will develop both temporally and locally, and in what amount each will be present.
  • the availability information also includes an indication of the period of time and for which period of time there is an excess of electrical energy, or this information can be derived therefrom.
  • the Availability Information Provides information about the probabilities of having a predicted availability at a time or in a future period. These details may be for example
  • the availability information is provided to the production planning system 5.
  • the availability information can be obtained via the smart grid itself or from other sources.
  • the availability information may include the information about the instantaneous availability of electrical energy and the predicted availability of the electrical energy in the form of a current or predicted price for electrical energy, e.g. for specify in price per kWh. In particular, this price is variable and depends heavily on the availability and likelihood that the forecasts for the availability of electrical energy will apply.
  • FIG. 2 shows a method for adjusting a production sequence plan for one or more production processes on the basis of a flowchart.
  • the production schedule is made using the production control unit 2
  • step S1 availability information about the availability of electrical energy is received via the power grid or the Internet or other source of information.
  • the availability information includes information on a current availability of electrical energy as well as on the predicted availability of electrical energy during a future one
  • the reliability of the indication of the predicted availability of electrical energy in the optimization period may be based on probabilities that have been established, for example, based on weather forecasts and the like.
  • certain time windows are determined in step S2 within the observation period in which the absorption of electrical energy can be increased, since there the price of electrical energy is low, or in which a surplus
  • the time windows can be determined, for example, by comparing the availability information contained in the availability information for the relevant time window with an availability threshold value and determining the time windows as the time periods in which the
  • the availability threshold is undershot.
  • the availability threshold may be fixed or determined based on the predicted availability of electrical energy. For example, the
  • Availability Threshold may be equal to or dependent on an average of the energy availability in the optimization period. Other possibilities are also conceivable with which the time windows can be determined.
  • Time windows the energy availability is highest.
  • a shift of individual process steps into these time windows can be the times of the
  • step S3 based on the production schedule for the specific optimization period, which is specified by the production planning system 5, the process steps 4, which have a temporal flexibility, as flexible
  • Process steps determined i. Process steps that can be performed in alternative time slots without deviating from the optimization objective underlying the production schedule, i. E. without degrading the amount of optimization that has been determined based on an optimization process underlying the initial production schedule.
  • the process steps 4 are determined, which can be performed in alternative time windows, without the entire production time of the Endagess or the throughput of the production process changes or deteriorates.
  • the flexible process steps can specify those process steps that are in several alternative time windows within the
  • Optimization period are executable, without at least one
  • Optimization size tolerance value from a value of the optimization size obtained by implementing the original (initial)
  • step S4 the alternative time windows in which process steps can alternatively be performed are compared with the time slots of a high energy availability determined in step S2, and those in step S5 are flexible
  • Production schedule can be moved to one of the time slots with high energy availability.
  • a decision on those process steps 4, the implementation of which can be shifted flexibly between alternative time windows, can also take into account whether the process steps can be interrupted during the course of the individual process step, e.g. in the event that the availability of electrical energy suddenly decreases and the
  • a modified production flow plan is created, in which the flexible process steps previously identified in step S5 are shifted to the corresponding alternative time windows, if there is a lower availability of electrical energy in the original time window of one of the identified process steps than in the alternative time window , which is assigned to the relevant process step according to step S5.
  • the temporal rearrangement of the corresponding flexible process steps can be carried out depending on a probability associated with each predicted availability of electrical energy.
  • those flexible process steps are timed into corresponding time windows where the probability of energy availability is highest above the availability threshold.
  • step S7 it is checked whether the shift of the process steps 4 in step S6 interferes with the entire production process such that an amount of optimization (e.g., throughput, production time, etc.) has deteriorated. This is done for each process step previously shifted in step S6, and the shift is not made if the deterioration of the
  • Availability of electrical energy indicates, for example, in a
  • Particleboard plant can be used.
  • 30% of the electrical energy is used for mechanical woodworking, where wood chips are made from tree trunks. Due to predicted night storms, which can lead to high energy availability due to wind turbines connected to the power grid, this can be used.
  • Production planning system 5 on the basis of the provided forecast data and process parameters decide whether there is an advantage to move the production of wood chips in an alternative time window and, for. during the night
  • Production planning system 5 can then adapt the production process 3 or the production processes 3 accordingly.
  • the above method of adjusting a production schedule may involve large cold stores where cooling to a particular temperature is very energy intensive. In this case, that can
  • a control system may use the availability of electrical energy prediction to start the cooling process.
  • cooling processes are controlled by means of a two-point control. That is, the cooling device for cooling the building is turned on when the temperature exceeds a first temperature threshold, and
  • both the first temperature threshold and the second temperature threshold can be adjusted if there is high availability of electrical energy and, conversely, if there is low availability of electrical energy. Shifting the temperature thresholds results in a relative shift of the time slots in which the cooling is turned on. The fact that the cooling in the case of high availability of electrical energy cools the cold room to a lower temperature, more flexibility can be gained. That if the energy availability decreases, can be waited longer until the cooling is switched on again, since the temperature of the cold room only later the critical temperature
  • Another example would be the charging of batteries needed in the production process, e.g. for operating forklifts or others
  • the time windows for charging the batteries can also be selected depending on the energy availability. For example, charging batteries from forklifts may be performed during the night or during the weekend when power availability is high.
  • the present invention also encompasses any combinations of preferred embodiments as well as individual design features or developments, provided that they are not mutually exclusive. LIST OF REFERENCES

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen eines Produktionsablaufplans für einen oder mehrere Produktionsprozesse (3), die jeweils einen oder mehrere Prozessschritte (4) aufweisen, die für ihre Ausführung Energie benötigen, mit folgenden Schritten: - Identifizieren (S2) mindestens eines Verfügbarkeits-Zeitfensters, in dem eine vorgegebene Mindest-Energieverfügbarkeit vorliegt, innerhalb eines vorgegebenen Optimierungszeitraums basierend auf einer Verfügbarkeitsinformation, die eine prognostizierte Energie-Verfügbarkeit während des Optimierungszeitraums angibt; - Bereitstellen (S3) einer Angabe zu einem oder mehreren flexiblen Prozessschritten (4), wobei der eine oder die mehreren flexiblen Prozessschritte (4) diejenigen Prozessschritte (4) angeben, die in mehreren alternativen Zeitfenstern innerhalb des Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich eine oder mehrere Optimierungsgrößen, die einer Erstellung des Produktionsablaufplans zugrunde liegen, verschlechtern; und - für jeden der flexiblen Prozessschritte (4), zeitliches Umordnen (S6) des entsprechenden flexiblen Prozessschritts (4) in eines der entsprechenden alternativen Zeitfenster, wenn dieses innerhalb des Verfügbarkeits-Zeitfensters liegt, um einen angepassten Produktionsablaufplan zu erhalten.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Anpassen eines Produktionsablaufplans für einen
Produktionsprozess
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Produktionsplanungen, insbesondere die Steuerung einer Produktion einer Produktionsanlage, die z.B. Energie aus
intelligenten Stromnetzen bezieht, basierend auf einem Produktionsablaufplan.
Stand der Technik
Dezentrale regenerative Energiequellen stellen aufgrund von Umweltfaktoren, wie z.B. Windaufkommen, Wolken und dergleichen, nur unregelmäßig und schwer vorhersehbar Energie bereit. Durch den zunehmenden Einsatz dieser Energiequellen wird die Fehlanpassung zwischen der erzeugten Menge an elektrischer Energie und der verbrauchten Menge an elektrischer Energie zusehends größer. In der
Vergangenheit wurde die elektrische Energie durch Kraftwerke gemäß ziemlich zuverlässigen Vorhersagen über das Verbrauchsverhalten von Industrie und
Haushalten in der benötigten Menge erzeugt. Schätzungen zufolge werden jedoch in der Zukunft bis zu 30% der elektrischen Energie ohne jegliche Synchronisation mit der Nachfrage erzeugt.
Das zu dem Verbrauch unsynchronisierte Aufkommen elektrischer Energie muss von den Kraftwerksbetreibern bzw. Netzbetreibern entsprechend einer gesetzlichen Vorschrift abgenommen und ins Stromnetz eingespeist werden.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Da sich der Strompreis an der Verfügbarkeit von elektrischer Energie in dem
Stromnetz orientiert, kann dies dazu führen, dass elektrische Energie aufgrund des Überangebots zu bestimmten Zeiten kostenlos zur Verfügung steht. Wenn
beispielsweise Windkraftwerke eine große Menge elektrischer Energie während eines Sonntags erzeugen, steht dem keine ausreichende Nachfrage seitens der industriellen Verbraucher entgegen, die die größten Abnehmer elektrischer Energie darstellen. Es ergibt sich in der Regel keine Gelegenheit für die Industrie, Vorteile aus der Nutzung von günstiger elektrischer Energie zu ziehen. Andererseits besteht das oben beschriebene Problem vor allem in Ländern, bei denen die Abnahme von regenerativ erzeugter elektrischer Energie vorgeschrieben ist, auch dann, wenn dem Aufkommen elektrischer Energie keine entsprechende Nachfrage gegenüber steht.
Bislang werden einzelne Prozessschritte in Produktionsanlagen in vorbestimmten Zeitfenstern oder kontinuierlich ausgeführt, wobei die Abfolge und die zeitliche Anordnung einzelner Prozessschritte hinsichtlich Produktionsdurchlaufzeit bzw. - durchsatz optimiert sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erstellen eines Produktionsablaufplans zur Verfügung zu stellen, womit eine
Produktionsanlage mit einer besseren Nutzung überschüssiger elektrischer Energie betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Durchführen einer Produktionsplanung bzw. zum Anpassen eines Produktionsablaufplans gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Produktionssystem gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Anpassen eines
Produktionsablaufplans für einen oder mehrere Produktionsprozesse vorgesehen, die jeweils einen oder mehrere Prozessschritte aufweisen, die für ihre Ausführung Energie benötigen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Identifizieren mindestens eines Verfügbarkeits-Zeitfensters, in dem eine
vorgegebene Mindest-Energieverfügbarkeit vorliegt, innerhalb eines vorgegebenen Optimierungszeitraums basierend auf einer Verfügbarkeitsinformation, die eine prognostizierte Energie-Verfügbarkeit während des Optimierungszeitraums angibt;
- Bereitstellen einer Angabe zu einem oder mehreren flexiblen Prozessschritten, wobei der eine oder die mehreren flexiblen Prozessschritte diejenigen
Prozessschritte angeben, die in mehreren alternativen Zeitfenstern innerhalb des Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich eine oder mehrere
Optimierungsgrößen, die einer Erstellung des Produktionsablaufplans zugrunde liegen, verschlechtern; und
- für jeden der flexiblen Prozessschritte, zeitliches Umordnen des entsprechenden flexiblen Prozessschritts in eines der entsprechenden alternativen Zeitfenster, wenn dieses innerhalb des Verfügbarkeits-Zeitfensters liegt, um einen angepassten Produktionsablaufplan zu erhalten.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, einzelne Prozessschritte des Produktionsprozesses, die zeitlich flexibel ausgeführt werden können, d.h. innerhalb eines ersten oder eines zweiten Zeitfensters durchgeführt werden können, für dasjenige Zeitfenster vorzusehen, in dem eine bestimmte oder höhere Energie- Verfügbarkeit besteht bzw. erwartet wird. Dazu werden zunächst aus einem
Produktionsprozess diejenigen Prozessschritte mit Hilfe eines
Produktionsablaufplans ermittelt, die innerhalb eines künftigen Zeitfensters durchgeführt werden sollen, um ein bestimmtes vorgegebenes Optimierungsziel zu erreichen. Zudem wird die prognostizierte Energie-Verfügbarkeit zum momentanen Zeitpunkt als auch der Zeitlauf der zu erwartenden Verfügbarkeit der elektrischer Energie innerhalb des künftigen Zeitfensters bereitgestellt, bzw. ermittelt.
Durch das zeitlichen Umordnen bzw. Verschieben eines oder mehrerer
Prozessschritte in ein Zeitfenster, in dem eine hohe Energie-Verfügbarkeit, z.B. ein Überangebot an elektrischer Energie, vorliegt, dient einerseits dazu, die erzeugte elektrische Energie in einem Stromnetz besser auszunutzen, und, da sich die Menge überschüssiger Energie in einem Stromnetz auch in dem Strompreis niederschlägt, ermöglicht dies andererseits den Betreibern von Produktionsanlagen, die elektrische Energie zum Betreiben der Prozessschritte kostengünstiger zu beziehen, um so die Produktionskosten zu reduzieren.
Weiterhin kann die vorgegebene Mindest-Verfügbarkeit durch einen Verfügbarkeits- Schwellenwert bestimmt werden, der insbesondere einem Mittelwert der
prognostizierten Verfügbarkeiten innerhalb des Optimierungszeitraums entsprechen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Energie-Verfügbarkeit den Überschuss von elektrischer Energie in einem Stromnetz angeben. Beispielsweise kann die
Verfügbarkeit elektrischer Energie anhand eines Preises für eine
Energiemengeneinheit angegeben sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die alternativen Zeitfenster eines
Prozessschrittes abhängig von einer Zustandsgröße des Prozessschrittes bestimmt werden, wobei insbesondere abhängig von einer momentanen Energie-Verfügbarkeit der flexible Prozessschritt sofort ausgeführt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren flexiblen Prozessschritte diejenigen Prozessschritte angeben, die in mehreren alternativen Zeitfenstern innerhalb des Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich zumindest eine Optimierungsgröße um mehr als einen Optimierungsgrößen-Toleranzwert von einem Wert der Optimierungsgröße, der durch den ursprünglichen
Produktionsablaufplan erreicht wird, abweicht.
Insbesondere kann der Schritt des jeweiligen zeitlichen Umordnens der
entsprechenden flexiblen Prozessschritte abhängig von einer Wahrscheinlichkeit, die jeder prognostizierten Energie-Verfügbarkeit zugeordnet wird, durchgeführt werden, wobei insbesondere vorrangig diejenigen flexiblen Prozessschritte in entsprechende Zeitfenster zeitlich umgeordnet werden, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Energieverfügbarkeit über der Mindest-Energieverfügbarkeit am größten ist. Weiterhin können bei dem Schritt des jeweiligen zeitlichen Umordnens der entsprechenden flexiblen Prozessschritte diejenigen flexiblen Prozessschritte vorrangig berücksichtigt werden, die die größte Energieaufnahme aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Produktionsplanungssystem zum Anpassen eines Produktionsablaufplans für einen oder mehrere Produktionsprozesse
vorgesehen, die jeweils einen oder mehrere Prozessschritte aufweisen, die für ihre Ausführung Energie benötigen, wobei das Produktionsplanungssystem ausgebildet ist:
- um mindestens ein Verfügbarkeits-Zeitfenster, in dem eine vorgegebene Mindest- Energieverfügbarkeit vorliegt, innerhalb eines vorgegebenen Optimierungszeitraums basierend auf einer Verfügbarkeitsinformation zu identifizieren, die eine
prognostizierte Energie-Verfügbarkeit während des Optimierungszeitraums angibt;
- um eine Angabe zu einem oder mehreren flexiblen Prozessschritten bereitzustellen, wobei der eine oder die mehreren flexiblen Prozessschritte diejenigen
Prozessschritte angeben, die in mehreren alternativen Zeitfenstern innerhalb des Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich eine oder mehrere
Optimierungsgrößen, die einer Erstellung des Produktionsablaufplans zugrunde liegen, verschlechtern; und
- um, für jeden der flexiblen Prozessschritte, den entsprechenden flexiblen
Prozessschritt in eines der entsprechenden alternativen Zeitfenster zeitlich
umzuordnen, wenn dieses innerhalb des Verfügbarkeits-Zeitfensters liegt, um einen angepassten Produktionsablaufplan zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Produktionssystem mit einem oder mehreren Produktionsprozessen und mit dem obigen Produktionsplanungssystem vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode aufweist, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren zum Anpassen eines Produktionsablaufplans ausführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung von Produktionsprozessen jeweils mit mehrere Prozessschritten, die gesteuert von einer
Produktionssteuereinheit durchgeführt werden; und
Figur 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum
Erstellen oder Anpassen eines Produktionsablaufplans basierend auf einer Verfügbarkeitsinformation von elektrischer Energie.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Produktionssystems 1 mit einer Produktionssteuereinheit 2, die einen oder mehrere Produktionsprozesse 3 überwacht und steuert. Jeder der Produktionsprozesse 3 umfasst eine Abfolge von einem oder mehreren Prozessschritten 4. Die Produktionsprozesse 3 dienen dazu, aus einem oder mehreren Rohprodukten oder Zwischenprodukten ein oder mehrere Endprodukte herzustellen. Die Prozessschritte 4 benötigen zu ihrer Ausführung Energie, im vorliegenden Ausführungsbeispiel elektrische Energie.
Die Produktionssteuereinheit 2 ist mit einem Produktionsplanungssystem 5 verbunden, das der Produktionssteuereinheit 2 Informationen über die zeitliche Abfolge der einzelnen Prozessschritte 4 zur Verfügung steht. Die Information beinhaltet für jeden Prozessschritt 4 eine Startzeit und Vorgabegrößen für den betreffenden Prozessschritt, so dass die Produktionssteuereinheit 2 den betreffenden Prozessschritt zu dem vorgegebenen Startzeitpunkt initiieren kann und an die dem Prozessschritt zugehörige Produktionsausstattung die Vorgabegrößen, davon abgeleitete Größen oder dergleichen übermittelt.
Das Produktionsplanungssystem 5 erstellt einen Produktionsablaufplan abhängig von bekannten Produktionsparametern der einzelnen Prozessschritte 4 und abhängig von einer Optimierungsfunktion, die die Produktionsprozesse 3 hinsichtlich einer oder mehrere bestimmter Größen optimiert. Das Optimieren erfolgt durch geeignetes zeitliches Anordnen der einzelnen Prozessschritte 4, so dass das
Endprodukt gemäß einem vorgegebenen Optimierungsziel, z.B. in der vorgegebenen Zeit und/oder in der vorgegebenen Stückzahl und/oder Qualität hergestellt werden kann. Beispielsweise erfolgt das Optimieren hinsichtlich der Produktionszeit eines herzustellenden Produktes, die minimiert werden soll. Das Optimieren wird anhand bekannter Optimierungsverfahren durchgeführt, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Die einzelnen Prozessschritte 4 benötigen zu ihrer Ausführung elektrische Energie, deren Menge erheblich von der Art des betreffenden Prozessschrittes abhängt.
Zudem weisen die einzelnen Prozessschritte 4 hinsichtlich des Zeitraumes, in dem diese durchgeführt werden können, ohne dass sich die Fertigstellung des
Endproduktes verzögert oder die Anzahl der innerhalb eines Zeitraumes
hergestellten Endprodukte verringert, eine höhere oder eine geringere Flexibilität auf. D.h. ein Prozessschritt 4 kann u.U. in mehreren, sich überlappenden oder sich nicht überlappenden alternativen Zeitfenstern durchgeführt werden, ohne dass das
Ergebnis des Produktionsprozesses 3 bzw. der mehreren Produktionsprozesse 3 hinsichtlich der einen oder der mehreren Optimierungsgrößen beeinträchtigt wird.
Wie Eingangs beschrieben, variiert die Verfügbarkeit von elektrischer Energie aufgrund des zunehmenden Einsatzes von unsynchronisierten elektrischen
Energiequellen künftig stärker, so dass es Zeitperioden gibt, in denen viel ungenutzte elektrische Energie in den Stromnetzen zur Verfügung steht. Obwohl intelligente Stromnetze versuchen, die elektrische Energie an geeigneter Stelle zu verbrauchen bzw. zu speichern, kann dieser Ansatz jedoch das nahezu zufällige Aufkommen elektrischer Energie in der Zukunft nicht vollständig auffangen.
Bei intelligenten Stromnetzen besteht die Möglichkeit, eine Verfügbarkeitsinformation darüber zu enthalten, wie die Verfügbarkeit der elektrischen Energie momentan ist, d.h. eine Angabe über das örtliche Aufkommen und die Menge an überschüssiger elektrischer Energie. Ferner kann eine Verfügbarkeitsinformation auch Angaben darüber enthalten, wie sich in der näheren Zukunft, d.h. beispielsweise innerhalb der nächsten 24 bis 28 Stunden, die Verfügbarkeit elektrischer Energie in dem Stromnetz sowohl zeitlich und örtlich entwickeln wird und in welcher Höhe diese jeweils vorliegt. Insbesondere umfasst die Verfügbarkeitsinformation auch eine Angabe darüber, in welchem Zeitraum und für welche Zeitdauer ein Überschuss an elektrischer Energie vorliegt, oder diese Angabe ist daraus ableitbar. Zudem ist es möglich, dass die Verfügbarkeitsinformation Angaben darüber enthält, mit welchen Wahrscheinlichkeiten eine prognostizierte Verfügbarkeit zu einem Zeitpunkt oder in einem Zeitraum in der Zukunft vorliegen wird. Diese Angaben können beispielsweise aus
Wettervorhersagen und dergleichen abgeleitet werden. Die Verfügbarkeitsinformation wird dem Produktionsplanungssystem 5 zur Verfügung gestellt. Die Verfügbarkeitsinformation kann über das intelligente Stromnetz selbst oder von anderen Quellen erhalten werden.
Neben der bereitgestellten Verfügbarkeitsinformation, die angibt, wie die momentane Verfügbarkeit von elektrischer Energie und die prognostizierte Verfügbarkeit der elektrischen Energie innerhalb eines künftigen Optimierungszeitraumes ist, werden dem Produktionsplanungssystem 5 auch Prozessparameter bereitgestellt. Die Verfügbarkeitsinformation kann die Angaben über die momentane Verfügbarkeit von elektrischer Energie und die prognostizierte Verfügbarkeit der elektrischen Energie in Form eines momentanen bzw. prognostizierten Preises für elektrische Energie z.B. für in Preis pro kWh angeben. Insbesondere ist dieser Preis variabel und hängt erheblich von der Verfügbarkeit und der Wahrscheinlichkeit ab, dass die Prognosen über die Verfügbarkeit elektrischer Energie zutreffen.
In Figur 2 ist anhand eines Flussdiagramms ein Verfahren zum Anpassen eines Produktionsablaufplanes für einen oder mehrere Produktionsprozesse dargestellt. Der Produktionsablaufplan wird mit Hilfe der Produktionssteuereinheit 2
durchgeführt.
In Schritt S1 wird eine Verfügbarkeitsinformation über die Verfügbarkeit elektrischer Energie über das Stromnetz oder das Internet oder eine sonstige Informationsquelle empfangen. Die Verfügbarkeitsinformation umfasst Angaben zu einer momentanen Verfügbarkeit von elektrischer Energie sowie über die prognostizierte Verfügbarkeit von elektrischer Energie während eines in der Zukunft liegenden
Optimierungszeitraums. Insbesondere kann die Zuverlässigkeit der Angabe über die prognostizierte Verfügbarkeit elektrischer Energie in dem Optimierungszeitraum mit Wahrscheinlichkeiten belegt sein, die beispielsweise anhand von Wetterprognosen und dergleichen erstellt worden sind. Anhand der Wahrscheinlichkeiten und der Verfügbarkeiten elektrischer Energie werden in Schritt S2 bestimmte Zeitfenster innerhalb des Betrachtungszeitraumes ermittelt, in denen die Aufnahme elektrischer Energie erhöht werden kann, da dort der Preis für elektrische Energie niedrig ist, bzw. in denen ein Überschuss
elektrischer Energie vorliegt. Die Zeitfenster können beispielsweise ermittelt werden, indem die in der Verfügbarkeitsinformation enthaltene Verfügbarkeitsangabe für das betreffende Zeitfenster mit einem Verfügbarkeitsschwellenwert verglichen wird und die Zeitfenster als diejenigen Zeitperioden ermittelt werden, in denen der
Verfügbarkeitsschwellenwert unterschritten wird. Der Verfügbarkeitsschwellenwert kann fest vorgegeben sein oder anhand der prognostizierten Verfügbarkeit von elektrischer Energie ermittelt werden. Beispielsweise kann der
Verfügbarkeitsschwellenwert einem Mittelwert der Energieverfügbarkeit in dem Optimierungszeitraum entsprechen oder von diesem abhängen. Es sind auch andere Möglichkeiten denkbar, mit denen die Zeitfenster ermittelt werden können.
Als Ergebnis ergeben sich Zeitfenster, in denen ein möglichst hoher
Energieverbrauch der Produktionsprozesse 3 gewünscht ist, da zu diesen
Zeitfenstern die Energieverfügbarkeit an höchsten ist. Eine Verlagerung von einzelnen Prozessschritten in diese Zeitfenster kann die Zeiten des
Energieverbauchs mit den Zeiten, in denen überschüssige Energie zur Verfügung steht, synchronisieren. Da der Strompreis in der Regel diese Verfügbarkeit widerspiegelt, kann der Betreiber der Produktionsanlage aufgrund der niedrigeren Kosten für die elektrische Energie die Produktionskosten senken.
In Schritt S3 werden anhand des Produktionsablaufplanes für den bestimmten Optimierungszeitraum, der von dem Produktionsplanungssystem 5 vorgegeben wird, die Prozessschritte 4, die eine zeitliche Flexibilität aufweisen, als flexible
Prozessschritte ermittelt, d.h. Prozessschritte, die in alternativen Zeitfenstern durchgeführt werden können, ohne dass von dem dem Produktionsablaufplan zugrundeliegenden Optimierungsziel abgewichen wird, d.h. ohne dass sich die Optimierungsgröße, die anhand eines dem anfänglichen Produktionsablaufplan zugrundeliegenden Optimierungsverfahren ermittelt worden ist, verschlechtert.
Beispielsweise werden die Prozessschritte 4 ermittelt, die in alternativen Zeitfenstern durchgeführt werden können, ohne dass sich die gesamte Produktionszeit des Endproduktes oder der Durchsatz des Produktionsprozesses ändert bzw. verschlechtert.
Insbesondere können die flexiblen Prozessschritte diejenigen Prozessschritte angeben, die in mehreren alternativen Zeitfenstern innerhalb des
Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich zumindest eine
Optimierungsgröße um mehr als einen absolut oder relativ vorgegebenen
Optimierungsgrößen-Toleranzwert von einem Wert der Optimierungsgröße, der durch die Implementierung des ursprünglichen (anfänglichen)
Produktionsablaufplans erreicht würde, abweicht.
In Schritt S4 werden die alternativen Zeitfenster, in denen Prozessschritte alternativ ausgeführt werden können, mit den in Schritt S2 bestimmten Zeitfenstern einer hohen Energieverfügbarkeit verglichen und in Schritt S5 diejenigen flexiblen
Prozessschritte 4 ermittelt, die .abweichend von dem bisherigen
Produktionsablaufplan, in eines der Zeitfenster mit hoher Energieverfügbarkeit verschoben werden können. Eine Entscheidung über diejenigen Prozessschritte 4, deren Durchführung flexibel zwischen alternativen Zeitfenstern verschoben werden können, kann auch berücksichtigen, ob die Prozessschritte während des Ablaufes des einzelnen Prozessschrittes unterbrochen werden können, z.B. für den Fall, dass die Verfügbarkeit elektrischer Energie plötzlich abnimmt und den
Verfügbarkeitsschwellenwert unterschreitet, bzw. der Preis einen
Energiepreisschwellenwert übersteigt.
In einem nachfolgenden Schritt S6 wird ein modifizierter Produktionsablaufplan erstellt, bei denen die zuvor in Schritt S5 identifizierten flexiblen Prozessschritte in die entsprechenden alternativen Zeitfenster verschoben werden, wenn jeweils in dem ursprünglichen Zeitfenster eines der identifizierten Prozessschritte eine geringere Verfügbarkeit elektrischer Energie vorliegt als in dem alternativen Zeitfenster, das dem betreffenden Prozessschritt gemäß Schritt S5 zugeordnet wird.
Weiterhin kann das zeitliche Umordnen der entsprechenden flexiblen Prozessschritte abhängig von einer Wahrscheinlichkeit, die jeder prognostizierten Verfügbarkeit elektrischer Energie zugeordnet wird, durchgeführt werden. Insbesondere können vorrangig diejenigen flexiblen Prozessschritte in entsprechende Zeitfenster zeitlich verschoben werden, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Energieverfügbarkeit über dem Verfügbarkeits-Schwellenwert am größten ist.
In einem Schritt S7 wird überprüft, ob die Verschiebung der Prozessschritte 4 in Schritt S6 mit dem gesamten Produktionsprozess so interferiert, dass sich eine zu Optimierungsgröße (z.B. Durchsatz, Produktionszeit usw.) verschlechtert hat. Dies wird für jeden, zuvor in Schritt S6 zeitlich verschobenen Prozessschritt durchgeführt und die Verschiebung nicht vorgenommen, wenn eine Verschlechterung der
Optimierungsgröße festgestellt worden ist.
Das oben allgemein beschriebene Verfahren zum Optimieren eines oder mehrerer Produktionsprozesse 3 hinsichtlich einer Verfügbarkeitsinformation, die eine
Verfügbarkeit elektrischer Energie angibt, kann beispielsweise in einem
Spanplattenwerk verwendet werden. In einem Spanplattenwerk werden 30% der elektrischen Energie für die mechanische Holzbearbeitung aufgewendet, bei der Holzspäne aus Baumstämmen hergestellt werden. Aufgrund von vorhergesagten Nachtstürmen, die zu einer hohen Energieverfügbarkeit aufgrund von an das Stromnetz angeschlossenen Windkraftwerken führen kann, kann das
Produktionsplanungssystem 5 anhand der bereitgestellten Vorhersagedaten und Prozessparameter entscheiden, ob ein Vorteil besteht, das Herstellen der Holzspäne in ein alternatives Zeitfenster zu verlegen und z.B. während der Nacht
durchzuführen, auch unter Beachtung des Lagerbestandes. Das
Produktionsplanungssystem 5 kann dann den Produktionsprozess 3 bzw. die Produktionsprozesse 3 entsprechend anpassen.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann das obige Verfahren zum Anpassen eines Produktionsablaufplans große Kühlhäuser betreffen, bei denen die Kühlung auf eine bestimmte Temperatur sehr energieaufwändig ist. In diesem Fall kann das
Bereithalten von zu kühlenden Waren als Produktionsprozess bzw. als Teil davon angesehen werden. Ein Steuersystem kann die Vorhersage über die Verfügbarkeit der elektrischen Energie dazu verwenden, den Kühlprozess zu starten. In der Regel werden derartige Kühlprozesse mit Hilfe einer Zweipunkt-Regelung gesteuert. D.h. die Kühleinrichtung zum Kühlen des Gebäudes wird eingeschaltet, sobald die Temperatur eine erste Temperaturschwelle überschreitet, und
abgeschaltet, sobald die Temperatur eine zweite Temperaturschwelle, die unterhalb der ersten Temperaturschwelle liegt, unterschreitet. Abhängig von der Verfügbarkeit der elektrischen Energie kann sowohl die erste Temperaturschwelle als auch die zweite Temperaturschwelle angepasst werden, wenn eine hohe Verfügbarkeit elektrischer Energie vorliegt und im umgekehrten Fall angehoben werden, sobald eine geringe Verfügbarkeit elektrischer Energie vorliegt. Das Verschieben der Temperaturschwellen führt zu einer relativen Verschiebung der Zeitfenster, in denen die Kühlung eingeschaltet wird. Dadurch, dass die Kühlung im Falle einer hohen Verfügbarkeit elektrischer Energie den Kühlraum auf eine niedrigere Temperatur kühlt, kann mehr Flexibilität gewonnen werden. D.h. wenn die Energieverfügbarkeit abnimmt, kann länger gewartet werden, bis die Kühlung wieder eingeschaltet wird, da die Temperatur des Kühlraumes erst später die kritische Temperatur
überschreitet, bei der die Kühlung unabhängig von der Verfügbarkeit elektrischer Energie bzw. von dem Strompreis wieder eingeschaltet werden muss.
Als weiteres Bespiel wäre das Aufladen von im Produktionsprozess benötigter Batterien zu nennen, z.B. zum Betreiben von Gabelstaplern oder anderen
Fahrzeugen. Die Zeitfenster zum Aufladen der Batterien können ebenfalls abhängig von der Energieverfügbarkeit gewählt werden. Beispielsweise kann das Aufladen von Batterien von Gabelstaplern während der Nacht oder während des Wochenendes durchgeführt werden, wenn die Energieverfügbarkeit hoch ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst dabei auch beliebige Kombinationen bevorzugter Ausführungsformen sowie einzelner Ausgestaltungsmerkmale oder Weiterbildungen, sofern diese sich nicht gegenseitig ausschließen. Bezuqszeichenliste
Produktionssystem
Produktionssteuereinheit
Produktionsprozess
Prozessschritt
Produktionsplanungssystem

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Anpassen eines Produktionsablaufplans für einen oder
mehrere Produktionsprozesse (3), die jeweils einen oder mehrere
Prozessschritte (4) aufweisen, die für ihre Ausführung Energie benötigen, mit folgenden Schritten:
- Identifizieren (S2) mindestens eines Verfügbarkeits-Zeitfensters, in dem eine vorgegebene Mindest-Energieverfügbarkeit vorliegt, innerhalb eines vorgegebenen Optimierungszeitraums basierend auf einer
Verfügbarkeitsinformation, die eine prognostizierte Energie-Verfügbarkeit während des Optimierungszeitraums angibt;
- Bereitstellen (S3) einer Angabe zu einem oder mehreren flexiblen
Prozessschritten (4), wobei der eine oder die mehreren flexiblen
Prozessschritte (4) diejenigen Prozessschritte (4) angeben, die in mehreren alternativen Zeitfenstern innerhalb des Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich eine oder mehrere Optimierungsgrößen, die einer Erstellung des Produktionsablaufplans zugrunde liegen, verschlechtern; und
- für jeden der flexiblen Prozessschritte (4), zeitliches Umordnen (S6) des entsprechenden flexiblen Prozessschritts (4) in eines der entsprechenden alternativen Zeitfenster, wenn dieses innerhalb des Verfügbarkeits- Zeitfensters liegt, um einen angepassten Produktionsablaufplan zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die vorgegebene Mindest-Verfügbarkeit durch einen Verfügbarkeits-Schwellenwert bestimmt wird, der insbesondere einem Mittelwert der prognostizierten Verfügbarkeiten innerhalb des
Optimierungszeitraums entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Energie-Verfügbarkeit den
Überschuss von elektrischer Energie in einem Stromnetz angibt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die alternativen
Zeitfenster eines Prozessschrittes (4) abhängig von einer Zustandsgröße des Prozessschrittes (4) bestimmt werden, wobei insbesondere abhängig von einer momentanen Energie-Verfügbarkeit der flexible Prozessschritt (4) sofort ausgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der eine oder die
mehreren flexiblen Prozessschritte (4) diejenigen Prozessschritte (4) angeben, die in mehreren alternativen Zeitfenstern innerhalb des Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich zumindest eine Optimierungsgröße um mehr als einen Optimierungsgrößen-Toleranzwert von einem Wert der
Optimierungsgröße, der durch den ursprünglichen Produktionsablaufplan erreicht wird, abweicht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des jeweiligen zeitlichen Umordnens der entsprechenden flexiblen Prozessschritte (4) abhängig von einer Wahrscheinlichkeit, die jeder prognostizierten Energie- Verfügbarkeit zugeordnet wird, durchgeführt wird, wobei insbesondere vorrangig diejenigen flexiblen Prozessschritte (4) in entsprechende Zeitfenster zeitlich umgeordnet werden, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer
Energieverfügbarkeit über der Mindest-Energieverfügbarkeit am größten ist.
7. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 6, wobei bei dem Schritt des jeweiligen
zeitlichen Umordnens der entsprechenden flexiblen Prozessschritte (4) diejenigen flexiblen Prozessschritte (4) vorrangig berücksichtigt werden, die die größte Energieaufnahme aufweisen.
8. Produktionsplanungssystem (5) zum Anpassen eines Produktionsablaufplans für einen oder mehrere Produktionsprozesse (3), die jeweils einen oder mehrere Prozessschritte (4) aufweisen, die für ihre Ausführung Energie benötigen, wobei das Produktionsplanungssystem (5) ausgebildet ist:
- um mindestens ein Verfügbarkeits-Zeitfenster, in dem eine vorgegebene Mindest-Energieverfügbarkeit vorliegt, innerhalb eines vorgegebenen
Optimierungszeitraums basierend auf einer Verfügbarkeitsinformation zu identifizieren, die eine prognostizierte Energie-Verfügbarkeit während des Optimierungszeitraums angibt;
- um eine Angabe zu einem oder mehreren flexiblen Prozessschritten (4) bereitzustellen, wobei der eine oder die mehreren flexiblen Prozessschritte (4) diejenigen Prozessschritte (4) angeben, die in mehreren alternativen
Zeitfenstern innerhalb des Optimierungszeitraums ausführbar sind, ohne dass sich eine oder mehrere Optimierungsgrößen, die einer Erstellung des
Produktionsablaufplans zugrunde liegen, verschlechtern; und
- um, für jeden der flexiblen Prozessschritte (4), den entsprechenden flexiblen Prozessschritt (4) in eines der entsprechenden alternativen Zeitfenster zeitlich umzuordnen, wenn dieses innerhalb des Verfügbarkeits-Zeitfensters liegt, um einen angepassten Produktionsablaufplan zu erhalten.
9. Produktionssystem (1) mit einem oder mehreren Produktionsprozessen (3) und mit einem Produktionsplanungssystem (5) nach Anspruch 8.
10. Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode aufweist, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
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