Anlagenbelegungsplanung in der Prozessindustrie: Offline- und Online-Optimierung bei Chargen- und bei Sortenproduktion
Final Report Abstract
Die Prozessindustrie umfasst alle Industriezweige, in denen vorwiegend chemische und physikalische Stoffumwandlungsprozesse zum Einsatz kommen. Zur Prozessindustrie gehören beispielsweise die Hersteller von Chemikalien, Arzneimitteln, Nahrungsmitteln, Hüttenerzeugnissen oder Papier. Die Produktionsplanung in der Prozessindustrie gliedert sich in eine aggregierte und Standort üb er greif ende Kampagnenplanung für Hauptprodukte und eine sich hieran anschließende detaillierte Belegungsplanung der einzelnen Anlagen. Im wesentlichen werden bei der Kampagnenplanung die benötigten Anlagenkonfigurationen zur Produktion der vorgesehenen Produkte gebildet, und es wird die Kampagnenstruktur für einen Zeitraum von ein bis zwei Jahren festgelegt. Aus dem ermittelten Kampagnenplan leiten sich für jede Anlage Primärbedarfe an Endprodukten in Form grobterminierter Produktionslose ab, deren detaillierte Terminplanung Gegenstand der Anlagenbelegungsplanung ist. Aufgabe der Anlagenbelegungsplanung ist es, für die gegebenen Primärbedarfe an Endprodukten bei fester Anlagenkonfiguration eine detaillierte Belegungsplanung der Anlage vorzunehmen. Hierzu ist die Menge der notwendigen Ausführungen von Prozessschritten auf den einzelnen Apparaten der Anlage mit den zugehörigen Einsatz- und Ausbringungsmengenverhältnissen sowie Chargengrößen bzw. Prozessdauern zu bestimmen und auf den Apparaten zeitlich so einzuplanen, dass die von der Kampagnenplanung festgelegten Bedarfe an den Endprodukten gedeckt werden und ein vorgegebenes Zielkriterium optimiert wird. Der hohe Detaillierungsgrad der Anlagenbelegungsplanung erfordert hierbei eine differenzierte Vorgehensweise in Abhängigkeit von Anlagen- und Pr ozes sführungstypen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden Verfahren der Offline- und der Online- Optimierung für die Belegungsplanung von Mehrprodukt- und Mehrzweckanlagen bei diskreter Chargen- bzw. kontinuierlicher Sortenproduktion entwickelt. Im Unterschied zu den in der wissenschaftlichen Literatur diskutierten Totalmodellen der gemischt-ganzzahligen linearen und nichtlinearen Programmierung beruht die Methodik auf einer hierarchischen Zerlegung der Planungsaufgabe in ein Problem der Mengen- und ein Problem der Ablaufplanung. Diese heuristische Vorgehensweise erlaubt die effiziente Behandlung von Planungsproblemen praxisrelevanter Größe und Komplexität. Aufgrund der vergleichsweise schweren Beherrschbarkeit verfahrenstechnischer Prozesse zeichnet sich die Produktion in der Prozessindustrie durch ein erhöhtes Maß an Planungsunsicherheit aus. Aus diesem Grund werden neben Methoden zur vorausschauenden Planung auch Verfahren zur revidierenden Planung bzw. zur Online-Planung in einem dynamischen Umfeld entwickelt. Hierfür haben sich auf die Anlagenbelegungsplanung zugeschnittene Prioritätsregel verfahren als besonders geeignet erwiesen. Mit Hilfe einfacher List-Scheduling- Strategien kann die für den praktischen Einsatz der Methoden erforderliche hohe Planungsstabilität bei sehr kurzen Rechenzeiten erreicht werden. Im Rahmen von modernen Advanced-Planning-Systemen zum Supply-Chain-Management können solche Verfahren im Bereich des Production Planning/Detailed Scheduling zur effektiven Entscheidungsunterstützung bei der Ressourceneinsatzplanung verfahrenstechnischer Anlagen eingesetzt werden.
Publications
- Fündeling CU, Trautmann N (2006) Scheduling of make and pack plants: A case study. In: Marquardt W, Pantelides C (eds) 16th European Symposium on Computer Aided Process Engineering and 9th International Symposium on Process Systems Engineering, Garmisch-Partenkirchen. Elsevier, Amsterdam, pp 1551-1556
- Fündeling CU, Trautmann N (2007) Belegungsplanung einer Make&Pack-Anlage mit kontinuierlicher Prozessführung: Eine Fallstudie. In: Günther HO, Mattfeld D, Suhl L (eds) Management logistischer Netzwerke, Springer, Berlin, pp 301-320
- Herrmann S, Schwindt C (2007) Planning and scheduling continuous operations in the process industries. In: Günther HO, Mattfeld D, Suhl L (eds) Management logistischer Netzwerke. Springer, Berlin, pp 279-299
- Neumann K, Schwindt C, Trautmann N (2005) Scheduling of continuous and discontinuous material flows with intermediate storage restrictions. European Journal of Operational Research 165:495-509
- Schwindt C, Herrmann S, Trautmann N (2006) Planning and scheduling of multipurpose continuous plants. In: Marquardt W, Pantelides C (eds) 16th European Symposium on Computer Aided Process Engineering and 9th International Symposium on Process Systems Engineering, Garmisch- Partenkirchen. Elsevier, Amsterdam, pp 2159-2164
- Schwindt C, Trautmann N (2004) A priority-rule based method for batch production scheduling in the process industries. In: Ahr D, Fahrion R, Oswald M, Reinelt G (eds) Operations Research Proceedings 2003. Springer, Berlin, pp 111-118
- Schwindt C, Trautmann N (2006) A cyclic approach to large-scale short-term planning of multipurpose batch plants. In: Morlock M, Schwindt C, Trautmann N, Zimmermann J (eds) Perspectives on Operations Research: Essays in Honor of Klaus Neumann. Deutscher Universitäts-Verlag, Wiesbaden, pp 225-238
- Trautmann N (2005) Operative Planung der Chargenproduktion. Gabler, Wiesbaden
- Trautmann N, Schwindt C (2005) A MINLP/RCPSP decomposition approach for the short-term planning of batch production. In: Puigjaner L, Espufia A (eds) Proceedings of the 15th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, Barcelona. Elsevier, Amsterdam, pp 1309- 1314
- Trautmann N, Schwindt C (2006) A heuristic method for large-scale batch scheduling in the process industries. In: Haasis HD, Kopfer H, Schönberger J (eds) Operations Research Proceedings 2005. Springer, Berlin, pp 155-160
- Trautmann N, Schwindt C (2006c) Priority-rule based scheduling of chemical batch processes. In: Marquardt W, Pantelides C (eds) 16th European Symposium on Computer Aided Process Engineering and 9th International Symposium on Process Systems Engineering, Garmisch-Partenkirchen. Elsevier, Amsterdam, pp 2165-2170
