WO2012048808A1 - Verfahren und vorrichtung zur optimierung eines produktionsprozesses - Google Patents

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WO2012048808A1
WO2012048808A1 PCT/EP2011/004954 EP2011004954W WO2012048808A1 WO 2012048808 A1 WO2012048808 A1 WO 2012048808A1 EP 2011004954 W EP2011004954 W EP 2011004954W WO 2012048808 A1 WO2012048808 A1 WO 2012048808A1
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production
cost
production schedule
pap1
schedule
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PCT/EP2011/004954
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Alexander Horch
Guido Sand
Iiro Harjunkoski
Sleman Saliba
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Abb Ag
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    • 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
    • G06Q10/063—Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
    • G06Q10/06315—Needs-based resource requirements planning or analysis
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling

Definitions

  • the present invention generally relates to optimization methods for
  • the present invention relates to measures to operate a production plant energy efficient, d. H. to plan, regulate and control the production so that the energy and raw material requirements are optimized.
  • Previous production planning and execution methods attempt to optimize production for one or more process variables. This takes into account various boundary conditions, such as order dates, machine restrictions, maintenance downtime and
  • cost function cost function
  • objective function objective function
  • energy function synonymous common
  • CONFIRMATION COPY did not enforce.
  • the classic optimization methods continue to focus on maximizing production at a given cost, for example using materials and raw materials, taking into account
  • Boundary conditions of production such as the number of machines or recipe specifications.
  • the liberalization of the electricity market and the exchange trading of energy makes it increasingly possible to buy electricity or energy flexibly on stock exchanges.
  • the purchase quantities and acceptance period as well as a corresponding price are determined.
  • production plants which also generate energy themselves, not only energy is bought on the stock exchanges, but also fed into the supply network.
  • Amount of energy is. This amount of energy is then purchased as cheaply as possible on the energy exchanges.
  • a network operator who has an oversupply of energy such as occur due to strong wind at the site of a wind turbine can not store the energy efficiently.
  • the network operator will thus try by variable pricing to give this energy to a production company.
  • the production company could now try his
  • Weather forecasts also provide the grid operator with information about how energy availability will be in the near future.
  • the production company not only the information on the current energy availability, but also predicted courses of the future
  • Energy availability will be provided.
  • the consideration of the energy availability as a further optimization variable would affect the already existing optimization system, i. H. a production in terms of e.g. a throughput relating to the production quantity and / or with respect to e.g. of the
  • This object is achieved by the optimization method for determining a
  • Production process provided.
  • the method comprises the following steps:
  • Cost functions for determining one or more second cost sizes are formed
  • An idea of the present invention is to define the energy availability and the cost of energy consumption as a separate optimization goal. With the help of a coordination of several optimization goals, one each
  • Cost function is assigned, this optimization goal can be considered equivalent or with a certain weighting to other optimization goals.
  • the optimizations related to these optimization goals are coordinated with each other instead of considering an optimization problem, the energy usage, and another optimization goal, such as optimization. Throughput, at the same time considered.
  • the process of coordinated optimization in this case has the advantage that existing solutions can be integrated and do not need to be replaced.
  • the coordination of the optimization systems can be done by a suitable
  • This coordinator or be performed by a suitable coordination function. This coordinator solves the two equivalent optimization models in
  • the one or more cost functions may be associated with one or more of the following production goals:
  • predetermined weighting variables in particular as the sum of the weighted cost variables, are determined.
  • the method may be performed iteratively by creating the first production schedule and the one or more second ones
  • the termination criterion may be to achieve a maximum number of repetitions of determining the optimal one
  • the change of the process parameter and the process boundary condition can be determined depending on the previously determined optimal production schedule.
  • the change of the process parameter may involve a number of parallel similar production processes or a performance level of a production process indicating what performance the production process is operating on.
  • the change of the process boundary condition may concern a specification of the maximum and / or minimum storage quantities of intermediate and end products.
  • an optimization system for determining an optimal production schedule for implementation or application is one
  • Production process comprising:
  • a first optimizer for creating a first production schedule according to a first cost function and a predetermined production process model, wherein the first cost function is configured to determine a first cost amount indicating the energy cost of the first production schedule; a second optimizer to create one or more second ones
  • a coordinator for determining a total cost amount depending on the first and the one or more second cost items for each of
  • a computer program product includes program code that, when executed on a computing device, performs the above method.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of a
  • Figure 2 is a functional diagram illustrating the iterative
  • the energy must be procured to operate the production plant. This is done, for example, by the purchase of energy from an energy supplier, by internal generation of energy, for example by house or in-house solar cells, wind turbines and / or mini power plants, or by Recycling of energy resulting from production-related exothermic processes, in particular extraction of electrical energy from accumulating
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an optimization system.
  • the coordinator 2 At the core of the optimization system is the coordinator 2, which is coupled to several optimizers 3. In the present example, there are three optimizers 3.
  • Optimization aspects could increase production reliability, i. H. the production away from the load and stability limits of the process, as well as the use of raw materials, d. H. minimizing the raw materials used.
  • the coordinator 2 can by a suitable user interface 4 the
  • Weighting can be specified in particular as a percentage, so that the
  • Weighting amounts total 100%.
  • the individual optimizers 3i, 3 2 , 3 3 create or optimize one
  • Production schedule PAP according to the respectively assigned optimization target taking into account predetermined production constraints PR.
  • the Production constraints may include, for example,
  • the cost functions KF1, KF2, KF3 can thus be used e.g. consider the optimization goals throughput, production volume, energy efficiency, plant protection and / or duration of the maintenance intervals
  • the cost functions KF1, KF2, KF3 assign a cost variable K to the production schedule PAP to be considered in a known manner.
  • the cost size K allows comparability of how the individual optimization goals have been achieved. This makes it possible to determine a total cost size from the individual cost items using the weighting quantities.
  • the optimizers 3-i, 3 2 , 3 3 are each further provided with a model description M of the underlying model of the production process, which
  • a resource task network 5 can be obtained.
  • the optimizers 3i, 3 2 , 3 3 are each provided with a corresponding solver 6 ⁇ 6 2 , 6 3 , which creates a production flow plan with regard to the respective cost function KF1, KF2, KF3.
  • the individual production schedules are the
  • Coordinator 2 provided. In the coordinator 2, each so obtained
  • Fig. 2 is a functional diagram for illustrating the
  • Production process model M each determines an optimized production schedule PAP1, PAP2, PAP3, with which an optimization of the corresponding cost size K1, K2, K3 is achieved according to the assigned cost function KF1, KF2, KF3.
  • Each of the production schedules PAP1, PAP2, PAP3 determined in this way is used in a respective one with the aid of the remaining cost functions KF1, KF2, KF3
  • Evaluation block 12 evaluates so that for each production flowchart PAP1, PAP2, PAP3 the corresponding cost variables K1 (PAP1), K2 (PAP1), K3 (PAP1), K1 (PAP2), K2 (PAP2), K3 (PAP2), K1 (K) PAP3), K2 (PAP3), K3 (PAP3).
  • the cost variables K1, K2, K3 associated with a respective production schedule PAP1, PAP2, PAP3 are weighted with the weighting quantities G1, G2, G3 in a weighting block 13 and a total cost item KG determined, e.g. according to the following regulation:
  • Production schedule PAP opt can now be started one or more further runs with modified process parameters and boundary conditions, the variation of the process parameters and the boundary conditions is based on the determined optimal production schedule PAP op t.
  • the variation of the process parameters and the boundary conditions is based on the determined optimal production schedule PAP op t.
  • Process parameters and the boundary conditions is performed in an iteration block 15 depending on the optimal production schedule PAP op t.
  • the above method can be performed iterated until a termination criterion exists.
  • the termination criterion may be to achieve a maximum number of repetitions of determining the optimal one
  • the role of the coordinator 2 is to control a contributing optimizer 3 so that the overall solution meets the specified goal.
  • the specifications to the optimizers 3i, 3 2 , 3 3 are calculated according to the overall goal and forwarded. Based on the obtained partial optimization results of the individual optimizers 3i, 3 2 , 3 3 , this process is repeated until no significant improvement of the determined
  • Production schedule PAP op t more is to be expected.
  • the production speed can be at similar
  • Production machines used in parallel can be taken into account by using only a part of the production machines with lower energy availability and thereby reducing the throughput or the production speed.
  • production processes can take the form of an iteration

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines optimalen Produktionsablaufplans (PAPopt), mit folgenden Schritten: - Erstellen eines ersten Produktionsablaufplan (PAP1) gemäß einer vorgegebenen ersten Kostenfunktion (KF1) und einem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell (M), wobei die erste Kostenfunktion (KF1) zum Ermitteln einer ersten Kostengröße (K1) ausgebildet ist, die die Energiekosten des ersten Produktionsablaufplans (PAP1) angibt; - Erstellen eines oder mehrerer zweiten Produktionsablaufpläne (PAP2) gemäß einer jeweiligen vorgegebenen zweiten Kostenfunktion (KF2) und dem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell (M), wobei die eine oder die mehreren zweiten Kostenfunktionen (KF2, KF3) zum Ermitteln einer oder mehrerer zweiten Kostengrößen (K2, K3) ausgebildet sind; - Bestimmen einer Gesamtkostengröße (KG) abhängig von der ersten und der einen oder der mehreren zweiten Kostengrößen (K1, K2, K3) für jeden der Produktionsablaufpläne (PAP1, PAP2, PAP3); - Auswählen desjenigen Produktionsablaufplans, dessen Gesamtkostengröße am geringsten ist, als optimalen Produktionsablaufplan (PAPopt).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung eines Produktionsprozesses
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Optimierungsverfahren für
Produktionsprozesse in der Fertigungsindustrie oder der Prozessindustrie. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen, um eine Produktionsanlage energieeffizient zu betreiben, d. h. die Produktion so zu planen, zu regeln und zu steuern, dass der Energie- und Rohstoffbedarf jeweils optimiert wird.
Stand der Technik
Bei bisherigen Verfahren zur Produktionsplanung und -ausführung wird versucht, die Produktion hinsichtlich einer oder mehrerer Prozessgrößen zu optimieren. Dies erfolgt unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen, wie beispielsweise Auftragsterminen, Maschinenbeschränkungen, Wartungsstillständen und
dergleichen. Für die Optimierung werden in vielen Fällen Methoden der
mathematischen Optimierung verwendet, die für vorgegebene Kostenfunktionen, wobei die Bezeichnungen Kostenfunktion„cost function" oder Zielfunktion„objective function" oder auch„energy function" synonym gebräuchlich sind, und
Randbedingungen optimale Lösungen ergeben.
Weiterhin wird versucht, den Energieverbrauch, wie zuvor bereits den
Rohstoffeinsatz, als Randbedingung in diese Optimierungsverfahren aufzunehmen. Die Lösung solcher multikriterieller Optimierungen ist sehr schwierig, weshalb sich die Berücksichtigung des Energieverbrauchs in industriellen Anwendungen noch
BESTÄTIGUNGSKOPIE nicht durchgesetzt hat. Die klassischen Optimierungsverfahren fokussieren weiterhin deutlich auf die Maximierung der Produktion bei gegebenem Kostenrahmen, beispielsweise Material- und Rohstoffeinsatz, unter Berücksichtigung von
Randbedingungen der Produktion, wie beispielsweise der Anzahl der Maschinen oder Rezepturvorgaben.
Gleichzeitig ist es durch die Liberalisierung des Strommarkts und des börslichen Handels mit Energie zunehmend möglich, Strom bzw. Energie flexibel an Börsen einzukaufen. Dabei werden Abnahmemengen und Abnahmezeitraum sowie ein entsprechender Preis festgelegt. Bei Produktionsanlagen, die selbst auch Energie erzeugen, wird nicht nur Energie an den Börsen gekauft, sondern umgekehrt auch in das Versorgungsnetz eingespeist.
Üblicherweise wird zur Bestimmung der benötigten Energiemenge ein vorhandener Produktionsplan verwendet, der die Grundlage für die zu beschaffende
Energiemenge ist. Diese Energiemenge wird dann so günstig wie möglich an den Energie-Börsen eingekauft.
Mit zunehmender Verbreitung alternativer Energiequellen und angesichts des
Umbaus der traditionellen Stromnetze zu so genannten Smart Grids vollzieht sich der Stromhandel für Produktionsunternehmen zunehmend in Echtzeit. Das bedeutet, dass die Strompreise stärker variieren und die Netzbetreiber nach Möglichkeiten suchen, überschüssigen Strom günstig abzugeben, während sie die Preise anheben, wenn die Energiemenge sich verknappt, beispielsweise bei schlechtem Wetter oder Windstille. Obwohl es in Zukunft möglich sein wird, Strom zu minutenaktuellen Preisen einzukaufen, ist bislang nicht vorgesehen, den Energieverbrauch in der Produktionsplanung von Produktionsprozessen zu berücksichtigen. Wäre dies der Fall, so bestünde eine Möglichkeit, die Gesamtenergieabnahme für einen
Netzbetreiber gleichmäßiger zu gestalten und insbesondere an die momentane Energieverfügbarkeit anzupassen.
Beispielsweise kann ein Netzbetreiber, der ein Überangebot an Energie hat, wie es beispielsweise aufgrund von starkem Wind am Ort einer Windkraftanlage auftreten kann, die Energie nicht effizient speichern. Der Netzbetreiber wird somit durch variable Preisgestaltung versuchen, diese Energie an ein Produktionsunternehmen abzugeben. Das Produktionsunternehmen könnte nun versuchen, seine
Produktionsplanung oder -durchführung so anzupassen, dass energetisch
aufwändige Prozesse vorgezogen werden, und unter Umständen eine
Überproduktion zulassen, deren Zwischen- bzw. Teilprodukte aufgrund der verfügbaren Energie preisgünstig herzustellen sind. Dadurch könnte überschüssige Energie im Stromnetz quasi als Teil-, Zwischen- oder Endprodukt bei dem
Produktionsunternehmen zwischengespeichert werden. Um jedoch diese Möglichkeit zu nutzen, muss das Produktionsunternehmen in der Lage sein, seine Produktion schnell und flexibel entsprechend der Änderungen der Energieverfügbarkeit umzuplanen bzw. zu entscheiden, ob eine Änderung der Produktionsdurchführung bei der geänderten Energieverfügbarkeit sinnvoll ist.
Im umgekehrten Fall, bei einem signifikanten Abfall des Energieangebots,
beispielsweise durch Windstille oder verminderte Sonneneinstrahlung für
Solaranlagen, benötigt der Netzbetreiber nun Verbraucher, die bereit sind, die benötigte Energiemenge zu senken, selbst wenn diese vorbestellt bzw. erworben wurde. Auch hier könnte das Produktionsunternehmen prüfen, inwieweit die
Produktionsdurchführung umgeplant werden könnte, um so die Anfrage des
Netzbetreibers zu erfüllen. Insbesondere bei nicht hundertprozentiger Auslastung der Produktion können sich hier Freiheitsgrade ergeben, die eine Verschiebung von energieaufwändigen Produktionsprozessen in die Zukunft ermöglichen.
Auch stehen dem Netzbetreiber aufgrund von Wetterprognosen Informationen darüber zur Verfügung, wie die Energieverfügbarkeit in naher Zukunft sein wird.
Somit können dem Produktionsunternehmen nicht nur die Angaben zu der aktuellen Energieverfügbarkeit, sondern auch prognostizierte Verläufe der künftigen
Energieverfügbarkeit zur Verfügung gestellt werden. Die Berücksichtigung der Energieverfügbarkeit als weitere Optimierungsgröße würde dem bereits bestehenden Optimierungssystem, d. h. eine Produktion hinsichtlich z.B. eines Durchsatzes, der sich auf die Produktionsmenge bezieht, und/oder hinsichtlich z.B. der
Anlagengesundheit, die sich auf einen schonenden Betrieb der Produktionsanlage bezieht, eine weitere Optimierungsgröße, nämlich die Energieeffizienz, hinzufügen. Dadurch würden die Optimierungsverfahren äußerst komplex und rechenintensiv, so dass diese in der Regel bei schneller Änderung der Energieverfügbarkeit nicht eingesetzt werden können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren des Betriebs eines Produktionsprozesses zur Verfügung zu stellen, bei denen als weitere Optimierungsgröße die effiziente Nutzung der verfügbaren Energie berücksichtigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Optimierungsverfahren zum Ermitteln eines
Produktionsablaufplanes zur Umsetzung in einem Produktionsprozess gemäß Anspruch 1 sowie durch das Optimierungssystem und das
Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln eines optimalen
Produktionsablaufplans zur Umsetzung oder Anwendung in einem
Produktionsprozess vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Erstellen eines ersten Produktionsablaufplan gemäß einer vorgegebenen ersten Kostenfunktion und einem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell, wobei die erste Kostenfunktion zum Ermitteln einer ersten Kostengröße ausgebildet ist, die die Energiekosten des ersten Produktionsablaufplans angibt;
- Erstellen eines oder mehrerer zweiten Produktionsablaufpläne gemäß einer jeweiligen vorgegebenen zweiten Kostenfunktion und dem vorgegebenen
Produktionsprozess-Modell, wobei die eine oder die mehreren zweiten
Kostenfunktionen zum Ermitteln einer oder mehrerer zweiten Kostengrößen ausgebildet sind;
- Bestimmen einer Gesamtkostengröße abhängig von der ersten und der einen oder der mehreren zweiten Kostengrößen für jeden der Produktionsablaufpläne;
- Auswählen desjenigen Produktionsablaufplans, dessen Gesamtkostengröße am geringsten ist, als optimalen Produktionsablaufplan.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Energieverfügbarkeit und die Kosten eines Energieverbrauchs als eigenes Optimierungsziel zu definieren. Mit Hilfe einer Koordination von mehreren Optimierungszielen, denen jeweils eine
Kostenfunktion zugeordnet ist, kann dieses Optimierungsziel gleichwertig oder mit einer bestimmten Gewichtung zu anderen Optimierungszielen berücksichtigt werden. Die Optimierungen bezüglich dieser Optimierungsziele werden miteinander koordiniert, anstatt ein Optimierungsproblem zu betrachten, das Energienutzung und ein weiteres Optimierungsziel, wie z.B. Durchsatz, gleichzeitig berücksichtigt. Das Verfahren der koordinierten Optimierung hat in diesem Fall den Vorteil, dass bestehende Lösungen integriert werden können und nicht ersetzt werden müssen. Die Koordinierung der Optimierungssysteme kann durch einen geeigneten
Koordinator bzw. durch eine geeignete Koordinationsfunktion durchgeführt werden. Dieser Koordinator löst die beiden gleichwertigen Optimierungsmodelle im
Wesentlichen parallel und bewertet die beiden Optimierungsergebnisse mit Hilfe der Kostenfunktionen hinsichtlich eines Gesamtoptimierungsziels, das die
Optimierungsziele der mehreren Kostenfunktionen berücksichtigt.
Weiterhin können die eine oder die mehreren Kostenfunktionen einem oder mehreren der folgenden Produktionsziele zugeordnet sein:
- Durchsatz,
- Anlagenschonung;
- Verwendung ökologisch erzeugter Energie,
- Produktionssicherheit; und
- Rohstoffeinsatz.
Es kann vorgesehen sein, dass die Gesamtkostengrößen abhängig von
vorgegebenen Gewichtungsgrößen, insbesondere als Summe der gewichteten Kostengrößen, ermittelt werden. Das Verfahren kann iterativ durchgeführt werden, indem das Erstellen des ersten Produktionsablaufplan und des einen oder der mehreren zweiten
Produktionsablaufpläne mit mindestens einem veränderten Prozessparameter und/oder mindestens einer veränderten Prozessrandbedingung durchgeführt wird. Auf diese Weise kann die Koordinationsfunktion die vorgegebenen
Prozessparameter und/oder Randbedingungen anpassen und erneut
Produktionsablaufpläne erstellen, die hinsichtlich der mehreren Optimierungsziele optimiert sind.
Weiterhin kann das Verfahren solange iteriert durchgeführt werden, bis ein
Abbruchkriterium vorliegt. Insbesondere kann das Abbruchkriterium einem Erreichen einer maximalen Anzahl von Wiederholungen des Ermitteins des optimalen
Produktionsablaufplans oder einem Erreichen eines vorgegebenen
Gesamtoptimierungskriteriums entsprechen.
Die Änderung des Prozessparameters und der Prozessrandbedingung kann abhängig von dem zuvor ermittelten optimalen Produktionsablaufplan bestimmt werden.
Die Änderung des Prozessparameters kann eine Anzahl von parallelen gleichartigen Produktionsprozessen oder eine Leistungsstufe eines Produktionsprozesses, die angibt, mit welcher Leistung der Produktionsprozess betrieben wird, betreffen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Änderung der Prozessrandbedingung eine Vorgabe der maximalen und/oder minimalen Lagermengen von Zwischen- und Endprodukten betreffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Optimierungssystem zum Ermitteln eines optimalen Produktionsablaufplans zur Umsetzung oder Anwendung in einem
Produktionsprozess vorgesehen, umfassend:
- einen ersten Optimierer zum Erstellen eines ersten Produktionsablaufplan gemäß einer ersten Kostenfunktion und einem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell, wobei die erste Kostenfunktion zum Ermitteln einer ersten Kostengröße ausgebildet ist, die die Energiekosten des ersten Produktionsablaufplans angibt; - einen zweiten Optimierer zum Erstellen eines oder mehrerer zweiten
Produktionsablaufpläne gemäß einer jeweiligen zweiten Kostenfunktion und dem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell, wobei die eine oder die mehreren zweiten Kostenfunktionen zum Ermitteln einer oder mehrerer zweiten Kostengrößen ausgebildet sind;
- einen Koordinator zum Bestimmen einer Gesamtkostengröße abhängig von der ersten und der einen oder der mehreren zweiten Kostengrößen für jeden der
Produktionsablaufpläne und zum Auswählen desjenigen Produktionsablaufplans, dessen Gesamtkostengröße am geringsten ist, als optimalen Produktionsablaufplan.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Blockdarstellung eines
Optimierungssystems zum Optimieren eines
Produktionsprozesses; und
Figur 2 ein Funktionsdiagramm zur Darstellung der iterativen
Ermittlung eines Produktionsablaufplans.
Beschreibung von Ausführungsformen
Bei der Optimierung von Produktionsprozessen einer Produktionsanlage eines Produktionsunternehmens müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden. Einerseits muss die Energie beschafft werden, um die Produktionsanlage zu betreiben. Dies geschieht beispielsweise durch den Kauf von Energie bei einem Energieversorger, durch interne Erzeugung von Energie, beispielsweise durch haus- oder betriebseigene Solarzellen, Windräder und/oder Minikraftwerke, oder durch Wiederverwertung von Energie, die durch produktionsbedingte exotherme Prozesse entsteht, insbesondere Gewinnung von elektrischer Energie aus anfallender
Wärmeenergie.
Andererseits verbraucht die Produktionsanlage Energie, wobei die einzelnen
Produktionsprozesse jeweils einen eigenen Energieverbrauch haben. In Zeiten hoher Energieverfügbarkeit kann dadurch die Produktion erhöht werden und womöglich über den eigentlichen Bedarf hinaus auf Lager produziert werden, während in Zeiten von geringer Energieverfügbarkeit die Produktion gedrosselt oder sogar
überschüssige Energie, insbesondere elektrische Energie, zurück ins Stromnetz gespeist werden kann. Eine optimale Ausnutzung der vorhandenen Energie und die benötigte Produktion kann jedoch nur durch eine gesamtheitliche Betrachtung beider Aspekte erreicht werden.
In Figur 1 ist eine schematische Blockdarstellung eines Optimierungssystems dargestellt. Im Kern des Optimierungssystems befindet sich der Koordinator 2, der mit mehreren Optimierern 3 gekoppelt ist. Im vorliegenden Beispiel sind drei
Optimierer 3^ 32, 33 für die Optimierungsziele Durchsatz, Energienutzung bzw.
Anlagenschonung vorgesehen. Es sind darüber hinaus weitere Optimierungsaspekte (Optimierungsziele) denkbar z.B. der Aspekt "grüne Produktion", bei der besonderer Wert auf die Verwendung ökologisch erzeugter Energie gelegt wird. Weitere
Optimierungsaspekte könnten die Produktionssicherheit, d. h. die Produktion abseits der Belastungs- und Stabilitätsgrenzen des Prozesses, sowie der Rohstoffeinsatz, d. h. die Minimierung der eingesetzten Rohstoffe, sein.
Dem Koordinator 2 kann durch eine geeignete Benutzerschnittstelle 4 die
Gewichtung der einzelnen Optimierungsaspekte vorgegeben werden. Die
Gewichtung kann insbesondere prozentual vorgegeben werden, so dass die
Gewichtungsgrößen in Summe 100% ergeben.
Die einzelnen Optimierer 3i, 32, 33 erstellen bzw. optimieren einen
Produktionsablaufplan PAP gemäß dem jeweils zugeordneten Optimierungsziel unter Berücksichtigung von vorgegebenen Produktionsrandbedingungen PR. Die Produktionsrandbedingungen können beispielsweise Auftragstermine,
Maschinenbeschränkungen, Wartungsstillstände und dergleichen betreffen.
Die Optimierung erfolgt auf Grundlage von den Optimierungszielen jeweils
zugeordneten Kostenfunktionen KF1 , KF2 und KF3. Die Kostenfunktionen KF1 , KF2, KF3 können also z.B. die Optimierungsziele Durchsatzes, Produktionsmenge, Energieeffizienz, Anlagenschonung und/oder Zeitdauer der Wartungsintervalle berücksichtigen Die Kostenfunktionen KF1 , KF2, KF3 ordnen in bekannter Weise dem zu betrachtenden Produktionsablaufplan PAP eine Kostengröße K zu. Die Kostengröße K ermöglicht die Vergleichbarkeit, wie die einzelnen Optimierungsziele erreicht worden sind. Dadurch ist es möglich, eine Gesamtkostengröße aus den einzelnen Kostengrößen mit Hilfe der Gewichtungsgrößen zu bestimmen.
Den Optimierern 3-i, 32, 33 werden weiterhin jeweils eine Modellbeschreibung M des zugrunde liegenden Modells des Produktionsprozesses bereitgestellt, die
beispielsweise mithilfe eines Resource-Task-Netzwerks 5 erhalten werden kann.
Die Optimierer 3i, 32, 33 sind jeweils mit einem entsprechenden Löser 6^ 62, 63 versehen, der einen Produktionsablaufplan hinsichtlich der jeweiligen Kostenfunktion KF1 , KF2, KF3 erstellt. Die einzelnen Produktionsablaufpläne werden dem
Koordinator 2 bereitgestellt. In dem Koordinator 2 wird jeder so erhaltenen
Produktionsablaufpläne hinsichtlich der übrigen Optimierungsziele bewertet, d. h. der Produktionsablaufplan, der hinsichtlich des Durchsatzes optimiert ist, wird mit Hilfe der jeweiligen Kostenfunktion KF1 , KF2, KF3 hinsichtlich seiner Energieeffizienz und Anlagenschonung bewertet. Weicht beispielsweise die Bewertung des ersten
Produktionsablaufplans hinsichtlich des zweiten Optimierungsziels von der
Energieeffizienz des zweiten Produktionsablaufplans ab bzw. um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert ab, so wird ein Optimierungsparameter geändert und die Optimierungsprozesse in den einzelnen Optimierern 3i , 32, 33 erneut mit den geänderten Optimierungsparametern durchgeführt. Auf diese Weise wird ein iterativer Optimierungsprozess realisiert, der bestehende Optimierer bzw.
Optimierungsverfahren einbindet. Alternativ können die einzelnen Lösungen der Optimierungsaspekte mit den
Lösungen der anderen Optimierer 3 verbunden werden und es kann gegebenenfalls ein neuer Optimierungsdurchlauf mit veränderten Randbedingungen gestartet werden.
In Fig. 2 ist ein Funktionsdiagramm zur Veranschaulichung des
Optimierungsverfahrens dargestellt. In Optimierungsblöcken 11 werden gemäß den zugeordneten Kostenfunktionen KF1 , KF2, KF3 und dem bereitgestellten
Produktionsprozess-Modell M jeweils ein optimierter Produktionsablaufplan PAP1, PAP2, PAP3 ermittelt, mit dem eine Optimierung der entsprechenden Kostengröße K1 , K2, K3 entsprechend der zugeordneten Kostenfunktion KF1 , KF2, KF3 erreicht wird. Jeder der so ermittelten Produktionsablaufpläne PAP1 , PAP2, PAP3 wird mit Hilfe der übrigen Kostenfunktionen KF1 , KF2, KF3 in einem jeweiligen
Bewertungsblock 12 bewertet, so dass insgesamt für jeden Produktionsablaufplan PAP1 , PAP2, PAP3 die entsprechenden Kostengrößen K1(PAP1), K2(PAP1), K3(PAP1), K1(PAP2), K2(PAP2), K3(PAP2), K1(PAP3), K2(PAP3), K3(PAP3) bereitgestellt werden. Die jeweils einem Produktionsablaufplan PAP1 , PAP2, PAP3 zugehörigen Kostengrößen K1 , K2, K3 werden mit den Gewichtungsgrößen G1 , G2, G3 in einem Gewichtungsblock 13 gewichtet und eine Gesamtkostengröße KG ermittelt, z.B. nach folgender Vorschrift:
KG= K1xG1+K2xG2+K3xG3
Durch Vergleichen der Gesamtkostengrößen KG(PAP1), KG(PAP2), KG(PAP3) der einzelnen ermittelten Produktionsablaufpläne PAP1 , PAP2, PAP3 in einem
Vergleichsblock 14 kann derjenige Produktionsablaufplan PAPopt ermittelt werden, dessen Gesamtkostengröße am geringsten ist. Abhängig von dem optimalen
Produktionsablaufplan PAPopt kann nun ein oder mehrere weitere Durchläufe mit veränderten Prozessparametern und Randbedingungen gestartet werden, wobei die Variation der Prozessparameter und der Randbedingungen sich an dem ermittelten optimalen Produktionsablaufplan PAPopt orientiert. Die Variation der
Prozessparameter und der Randbedingungen wird in einem Iterationsblock 15 abhängig von dem optimalen Produktionsablaufplan PAPopt durchgeführt. Das obige Verfahren kann solange iteriert durchgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium vorliegt. Insbesondere kann das Abbruchkriterium einem Erreichen einer maximalen Anzahl von Wiederholungen des Ermitteins des optimalen
Produktionsablaufplans oder einem Erreichen eines vorgegebenen
Gesamtoptimierungskriteriums entsprechen.
Zusammenfassend besteht die Aufgabe des Koordinators 2 darin, einen beteiligten Optimierer 3 so zu steuern, dass die Gesamtlösung dem spezifizierten Ziel entspricht. Dabei werden die Vorgaben an die Optimierer 3i, 32, 33 entsprechend dem Gesamtziel berechnet und weiter geleitet. Basierend auf den erhaltenen Teiloptimierungsergebnissen der einzelnen Optimierer 3i , 32, 33 wird dieser Prozess wiederholt, bis keine wesentliche Verbesserung des ermittelten
Produktionsablaufplans PAPopt mehr zu erwarten ist. Bei der Optimierung bezüglich der Energieeffizienz können auch die Produktionsgeschwindigkeit und die
Verwendung von Energiespeichern in dem Produktionsunternehmen in dem Prozess als zusätzliche Freiheitsgrade der Optimierung berücksichtigt werden.
Insbesondere die Produktionsgeschwindigkeit kann bei gleichartigen
Produktionsmaschinen, die parallel eingesetzt werden, berücksichtigt werden, indem nur ein Teil der Produktionsmaschinen bei geringerer Energieverfügbarkeit verwendet wird und dadurch der Durchsatz bzw. die Produktionsgeschwindigkeit reduziert wird. Die Anzahl von mehreren zu verwendenden, gleichartigen
Produktionsprozessen kann beispielsweise bei der Iteration in Form eines
Prozessparameters vorgegeben werden.
Bezugszeichenliste Optimierungssystem
Koordinator
i, 32, 33 Optimierer
Benutzerschnittstelle
Resource-Task-Netzwerk1, 62, 63 Löser
1 Optimierungsblock
2 Bewertungsblock
3 Gewichtungsblock
4 Vergleichsblock
5 Iterationsblock

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln eines optimalen Produktionsablaufplans (PAPopt) zur Umsetzung in einem Produktionsprozess, mit folgenden Schritten:
- Erstellen eines ersten Produktionsablaufplan (PAP1) gemäß einer
vorgegebenen ersten Kostenfunktion (KF1) und einem vorgegebenen
Produktionsprozess-Modell (M), wobei die erste Kostenfunktion (KF1) zum Ermitteln einer ersten Kostengröße (K1) ausgebildet ist, die die Energiekosten des ersten Produktionsablaufplans (PAP1) angibt;
- Erstellen eines oder mehrerer zweiten Produktionsablaufpläne (PAP2) gemäß einer jeweiligen vorgegebenen zweiten Kostenfunktion (KF2) und dem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell (M), wobei die eine oder die mehreren zweiten Kostenfunktionen (KF2, KF3) zum Ermitteln einer oder mehrerer zweiten Kostengrößen (K2, K3) ausgebildet sind;
- Bestimmen einer Gesamtkostengröße (KG) abhängig von der ersten und der einen oder der mehreren zweiten Kostengrößen (K1 , K2, K3) für jeden der Produktionsablaufpläne (PAP1 , PAP2, PAP3);
- Auswählen desjenigen Produktionsablaufplans, dessen Gesamtkostengröße am geringsten ist, als optimalen Produktionsablaufplan (PAPopt).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die eine oder die mehreren zweiten
Kostenfunktionen (KF2, KF3) einem oder mehreren der folgenden
Produktionsziele zugeordnet sind:
- Durchsatz,
- Anlagenschonung;
- Verwendung ökologisch erzeugter Energie,
- Produktionssicherheit; und
- Rohstoffeinsatz.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gesamtkostengrößen (KG) abhängig von vorgegebenen Gewichtungsgrößen (G1 , G2, G3), insbesondere als Summe der gewichteten Kostengrößen, ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren iterativ durchgeführt wird, indem das Erstellen des ersten Produktionsablaufplan (PAP1) und des einen oder der mehreren zweiten Produktionsablaufpläne (PAP2) mit mindestens einem veränderten Prozessparameter (PR) und/oder mindestens einer veränderten Prozessrandbedingung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verfahren solange iteriert durchgeführt wird, bis ein Abbruchkriterium vorliegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Abbruchkriterium einem
Erreichen einer maximalen Anzahl von Wiederholungen des Ermitteins des optimalen Produktionsablaufplans (PAPopt) oder einem Erreichen eines vorgegebenen Gesamtoptimierungskriteriums entspricht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Änderung des
Prozessparameters (PR) und der Prozessrandbedingung abhängig von dem zuvor ermittelten optimalen Produktionsablaufplan (PAPopt) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Änderung des
Prozessparameters eine Anzahl von parallelen gleichartigen
Produktionsprozessen oder eine Leistungsstufe eines Produktionsprozesses betrifft, die angibt, mit welcher Leistung der Produktionsprozess betrieben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Änderung der
Prozessrandbedingung eine Vorgabe der maximalen und/oder minimalen Lagermengen von Zwischen- und Endprodukten betrifft.
10. Optimierungssystem zum Ermitteln eines optimalen Produktionsablaufplans (PAP0pt), umfassend:
- einen ersten Optimierer (3i) zum Erstellen eines ersten Produktionsablaufplan (PAP1) gemäß einer ersten Kostenfunktion (KF1) und einem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell (M), wobei die erste
Kostenfunktion (KF1) zum Ermitteln einer ersten Kostengröße (K1)
ausgebildet ist, die die Energiekosten des ersten Produktionsablaufplans (PAP1) angibt;
- einen zweiten Optimierer (32) zum Erstellen eines oder mehrerer zweiten Produktionsablaufpläne gemäß einer jeweiligen zweiten Kostenfunktion (KF2, KF3) und dem vorgegebenen Produktionsprozess-Modell (M), wobei die eine oder die mehreren zweiten Kostenfunktionen (KF2, KF3) zum Ermitteln einer oder mehrerer zweiten Kostengrößen (K2, K3) ausgebildet sind;
- einen Koordinator (2) zum Bestimmen einer Gesamtkostengröße (GK) abhängig von der ersten und der einen oder der mehreren zweiten
Kostengrößen (K1 , K2, K3) für jeden der Produktionsablaufpläne (PAP1 , PAP2, PAP3) und zum Auswählen desjenigen Produktionsablaufplans, dessen Gesamtkostengröße am geringsten ist, als optimalen
Produktionsablaufplan (PAPopt).
11. Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt.
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