Eine Methodik zur modellbasierten Planung und Bewertung der Energieeffizienz in der Produktion

Abstract

Die weltweit steigende Nachfrage nach endlichen Ressourcen führt zu einer immer weiteren Preissteigerung dieser. Produzierende Unternehmen stehen im globalen Wettbewerb und können sich durch eine Steigerung der Energieeffizienz ökonomische Vorteile verschaffen. Zudem wird der ökologische Faktor bei der Energieeinsparung von Kunden positiv aufgenommen. Um die Energieeffizienz in der Produktion zu steigern, müssen die Zusammenhänge verstanden, Stellgrößen identifiziert und bewertet sowie geeignete Maßnahmen abgeleitet werden. Die vorliegende Dissertation greift diese Punkte auf und führt sie zu einer modellbasierten Planungs- und Bewertungsmethodik zur Steigerung der Energieeffizienz in der Produktion zusammen. Der grundlegende Modellierungsansatz besteht aus der Verknüpfung von Ressourcen der Hauptprozesse und der Peripherie auf Basis der Systemtechnik. Die einzelnen Ressourcen werden statusbasiert abgebildet, d.h. jeder vorhandenen Ressource werden spezifische Status zugewiesen. Außerdem erfolgt eine Zuordnung von individuellen Energieprofilen zum jeweiligen Status. Durch die Integration der Arbeitsplanung wird es möglich, verschiedene Planungsalternativen hinsichtlich ihres späteren energetischen Verhaltens bereits in der Planungsphase zu untersuchen und zu bewerten. Das ist erforderlich, da in dieser Phase ein Großteil des späteren energetischen Verhaltens festgelegt wird. Somit wird eine Möglichkeit geschaffen, dem Arbeitsplaner eine Entscheidungsgrundlage zur expliziten Betrachtung der Energie an die Hand zu geben. Die zusätzliche Integration der Arbeitssteuerung erlaubt es, eine Produktion permanent am energetisch bestmöglichen Betriebspunkt zu halten und Maßnahmen zur Minimierung der ungewünschten Teillastfälle abzuleiten. Hierfür wird ein bidirektionales Messaging-System verwendet, welches für den permanenten Datenaustausch zwischen den Ressourcen und der Leitebene zuständig ist.Ein entwickeltes Kennzahlensystem bildet die Basis zur Bewertung der verschiedenen möglichen Produktionsszenarien. Außer der Energieeffizienz werden noch weitere Zielgrößen der Produktion (Qualität, Durchlaufzeit,OEE) in die Bewertung mit einbezogen, um Korrelationen zwischen den einzelnen Kenngrößen abbilden zu können. Eine problemspezifische Gewichtung der einzelnen Kenngrößen erlaubt es, die Bewertungsmethode für verschiedene Fragestellungen zu verwenden. Die Gesamtmethodik wird anhand einer Werkstattfertigung mit Bearbeitungszentren erprobt. Hierbei zeigt sich, dass große Einsparpotentiale vorhanden sind, die durch die organisatorische Optimierung der Produktion gehoben werden können, ohne in neue Technologien oder Maschinen zu investieren.

As global demand is rising constantly, the sustainable use of natural resources is a central challenge for the next years. This high demand leads to shortages and thus to rising costs of energy purchase. Manufacturing companies are facing global competition and improving their ressource efficiency can lead to both economic and ecologic benefits. But to increase the energy efficiency in production,interrelationships within the shop floor must be understood and suitable control variables have to be identified and applied. The methodology developed in this thesis addresses these aspects and merges them to a modelbased approach for the planning, evaluation and optimization of the energy consumption in factories. The basic methodology focuses on a state based modeling approach. This allows linking the states to the specific energy profiles. Therefore not only the resources of the main processes but also the peripheral systems have to be considered. The integration of process planning makes it possible to examine and evaluate different constellations of parameters during the planning phase already. This is important as the main aspects of the energetic behavior of a production are determined in this phase. Thus, the work planner is given the opportunity to get feedback concerning the energy efficiency and the energetic behavior of the planned system. The additional consideration of energetic aspects in the production planning and control allows operating the whole production continuously at the energetically best operating point by initiating suitable measures. This method is implemented using a bidirectional messaging system which is capable to manage a permanent exchange of data between the management system and the resources in the shop floor. A developed key performance indicator (KPI) system forms the basis to evaluate the different parameter sets or possible scenarios. Including the classic objectives of production too, the user of the KPI system not only considers energy consumption but also overall equipment effectiveness (OEE), lead time and current stocks of the given production. A power function allows to weight these criteria with specific factors and to set them in relation to each other. This leads to the possibility of using the KPI system for different issues. The methodology was evaluated on a scenario of a job-shop production with machining centers. It has proved that there are high energetic saving potentials which can be used by the organizational optimization of the production.