Eine anwendungsorientierte simulationsbasierte Methode, unter Berücksichtigung von Energieeffizienz, in der optimierenden Planung von Produktion und Logistik

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Planungsmethode, die gleichzeitig die Energieeffizienz und die ökonomische Leistung von Produktionssystemen optimiert – dafür wird eine multikriterielle Optimierung, basierend auf einer hybriden – kontinuierlich/diskretes Verhalten zeigenden – Simulation eingesetzt. Energieeffizienz ist aufgrund steigenden gesellschaftlich-politischen Drucks zu nachhaltigem Wirtschaften und langfristig steigender Energiepreise zu einem wichtigen Ziel produzierender Unternehmen geworden. Erhebliches Potential liegt dabei in der Optimierung der Produktionsplanung und Steuerung sowie dem darauf abgestimmten Betrieb von Anlagen in der Peripherie und einem Zielsystem, das sowohl die klassischen ökonomischen Ziele wie auch Energieeffizienz in einer Zielfunktion der integrierten Planung vereint. Doch trotz des erkannten Bedarfs, fehlen den Unternehmen entsprechende Planungsmethoden – das Potential bleibt somit ungenutzt. Auch die schon veröffentlichten Ansätze in der Forschung haben erheblichen Entwicklungsbedarf: Vor allem das diskrete Materialfluss- und Auftragsbearbeitungs-Verhalten, zusammen mit dem thermisch-physikalischen Verhalten der Anlagen – z.B. Industrieöfen oder Kälteanlagen –, werden bislang nur ungenügend bezüglich ihrer Wirkbeziehungen integriert betrachtet und geplant. In der Folge bleibt Potential und damit ein Wettbewerbsvorteil ungenutzt. Diese Arbeit hat das Ziel, eine entsprechende Planungsmethode mit der Integration der Energieeffizienz in das Zielsystem der Produktionsplanungsoptimierung zu entwickeln. Dafür wird zu Beginn ein Modellierungskonzept entwickelt, das die integrierte Betrachtung des Produktionssystems ermöglicht. Korrespondierend dazu wird eine neuartige hybride, objektorientierte Simulation entwickelt, die sowohl das diskrete Verhalten des Systems, wie auch das kontinuierliche detailliert und gleichzeitig abbilden kann. Im Anschluss wird ein Optimierungsmodul entwickelt, das die Simulation als Bewertungsfunktion nutzt und die eingangs beschriebene Optimierung des Produktionsplans, sowie die Ansteuerung aller relevanten Aggregate in der Produktion und ihrer Peripherie, leisten kann. Die daraus resultierende Gesamtmethode wird anhand einer Industrie-Fallstudie in der Lebensmittelproduktion evaluiert und kann dabei erhebliches Optimierungspotential von bis zu 50% Gesamtoptimierung und 30% Energieeinsatz-Reduktion ausweisen.

This thesis documents the development of a planning method that simultaneously increases the energy efficiency as well as the economic performance of complex production systems. The method utilizes a multi-criteria optimization based on a hybrid simulation that is able to exhibit both continuous and discrete behaviour. Energy efficiency has become an important goal for manufacturing enterprises, largely due to a combination of rising societal and political pressure towards a more sustainable way of conducting business and growing energy prices in the long-term. There is considerable potential in this area to be found in the optimized production planning and control (PPC), as well as the synchronized control of equipment in the periphery, together with a goal system that features both classical economic goals and energy efficiency in the objective function of an integrated planning approach. However, despite the recognized demand, the necessary planning methods are missing for manufacturing companies, resulting in wasted potential. Even the scientific approaches publicized thus far are lacking crucial elements: Especially the integrated planning of the discrete material flow and order processing together with the thermal-physical behaviour of equipment – e.g. industrial ovens or chillers – and its interdependencies is not sufficiently provided by available approaches. As a result, the associated optimization potential is left unutilized. This research aims at developing a planning method that integrates energy efficiency into the goal system of production planning optimization. To achieve this, a modelling concept supporting the integrated consideration of production systems is being developed. Next, a corresponding novel hybrid simulation method that supports both the discrete and continuous behaviour of production and energy systems is evolved. Following that, an optimization module utilizing the simulation as an evaluation function and enabling the simultaneous optimization of the short-term production plan and optimized control of relevant equipment in the periphery is engineered. The resulting overall method is then evaluated in a case study featuring a food production facility, revealing an overall optimization potential of up to 50%, amid energy savings of up to 30%.