Produktionsplanung und -steuerung in der chemischen Industrie

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Planung und Steuerung von Batchprozessen in der chemischen Industrie, wobei der Schwerpunkt auf der Ressourceneinsatzplanung von Mehrzweckanlagen liegt. Die beiden folgenden Abschnitte geben einen Überblick über die Ziele und den Aufbau der Arbeit.

Im nun folgenden Kapitel werden neben einer genauen Problembeschreibung und einer Einordnung des Problems in das Planungsumfeld einige grundlegende Begriffe definiert und erörtert. Aufbauend auf einer allgemeinen Abgrenzung der verfahrenstechnischen Produktion von der Fertigung diskreter Güter werden die hier vertretenen (Produktions-) Technologien voneinander abgegrenzt und in das betriebliche Umfeld eingeordnet. Nach einer Beschreibung von Darstellungsmöglichkeiten chemischer Prozesse wird ein Klassifikationsschema zur Ablaufplanung von Mehrzweckanlagen entwickelt. Schließlich wird eine Übersicht über Planungsprobleme der Produktionsplanung und -steuerung in der Prozeßindustrie gegeben.

Im folgenden werden die Planungsprobleme der Hauptproduktionsprogrammplanung und der Ressourceneinsatzplanung bei kontinuierlichen Prozessen beschrieben und existierende Lösungsansätze dargestellt.

Im folgenden Kapitel soll auf die operativ-dispositive Ebene der Produktionsplanung bei Batchprozessen in der chemisch-pharmazeutischen Industrie eingegangen werden. Die Planung von Batchprozessen stellt aufgrund der vergleichsweise großen Anlagenflexibilität im Gegensatz zu kontinuierlich arbeitenden Anlagen wesentlich größere Anforderungen an die Planung. Während die Materialflüsse bei kontinuierlichen Prozessen meist nach dem „Flow-shop“-Prinzip organisiert sind und aufgrund der Ähnlichkeit der Produkte auch häufig einen statischen Engpaßbereich aufweisen, liegt bei Batchproduktion eine Art „job-shop“-Problem vor, d.h. Materialien können im Vergleich zueinander einen (fast) beliebigen Weg durch die Anlage wählen, wobei sich der Engpaßbereich je nach Produktmix und zeitlicher Verteilung der Bedarfe dynamisch verändern kann.

Im folgenden wird eine Klasse neuer Lösungsansätze für das Problem der Ressourceneinsatzplanung bei Mehrzweckanlagen entwickelt. Die einzelnen Ansätze gliedern sich in ein Eröffnungsverfahren (Konstruktionsverfahren) zur Generierung einer Startlösung und ein Verbesserungsverfahren zur weiteren Optimierung der gefundenen Startlösung, die beliebig miteinander kombiniert werden können. Vorab soll ein Überblick über grundsätzliche Konzepte und Verfahren zur Lösung derartiger Planungsprobleme sowie über die Anforderungen an ein solches Verfahren für den Einsatz in der Praxis gegeben werden.

Im diesem Kapitel soll die Leistungsfähigkeit der in dieser Arbeit entwickelten Lösungsansätze anhand eines Vergleich mit Referenzlösungen bzw. untereinander ermittelt werden. Soweit verfügbar, werden auch optimale Lösungen zum Vergleich herangezogen. Das Testfeld umfaßt vier grundlegend verschiedene Prozesse, für die jeweils über die Vorgabe unterschiedlicher Bedarfsmengen bzw. -verteilungen und Reinigungsstrategien eine Reihe von Probleminstanzen erzeugt werden. Als Vergleichskriterien sollen hier jeweils die Lösungsgüte und die Rechenzeit für die einzelnen Instanzen herangezogen werden.

Bei der Modellierung (Abbildung) der in der vorliegenden Arbeit untersuchten Testprobleme trat häufig das Problem auf, alle prozeß- und anlagenbeschreibenden Merkmale konsistent über die in Kapitel 4.2.1.1 angegebenen Parameter und Gruppen zu definieren, ohne aufgrund vielfältiger Abhängigkeiten bzw. Materialflußverflechtungen Fehler bei der Erstellung der entsprechenden LP-Modelle zu machen. Aus diesem Grunde entstand die Idee, das Vorgehen bei der Prozeßmodellierung bzw. Modellerzeugung mit Hilfe einer graphisch-interaktiven Benutzeroberfläche zu automatisieren, um dem Benutzer eine Schnittstelle zwischen einem als State-Task-Netzwerk abgebildeten Prozeß und der vergleichsweise abstrakten Welt der mathematischen Optimierung zu bieten.

Die Batchproduktion auf Mehrzweckanlagen findet zunehmenden Einsatz in der chemisch-pharmazeutischen Produktion. Die hohen Investitionen in solche Anlagen und die steigende Komplexität der Planungssituation infolge wachsenden Kostendrucks und steigenden Kundenansprüchen erfordern eine sorgfältige Belegungsplanung. Fehler, die in der Planung gemacht werden, resultieren u.a. in unnötig langen Durchlaufzeiten und geringer Produktionsleistung der Anlagen. Erst die Einbeziehung der wesentlichen Prozeßcharakteristika im Hinblick auf Anlagenflexibilität (z.B. Batchgrößen, Kuppelproduktion) und Planzulässigkeit (z.B. reihenfolgeabhängige Reinigungsprozesse, begrenzte Kapazitäten und Haltbarkeiten) ermöglicht die Erzeugung zulässiger und effizienter Belegungspläne. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden Ansätze zur Ablaufplanung von Batchprozessen in der Prozeßindustrie — insbesondere zur Planung von Mehrzweckanlagen — entwickelt, die auf der Integration leicht nachvollziehbarer Vereinfachungsstrategien in Optimierungsmodelle beruhen, die alle wesentlichen Problemeigenschaften berücksichtigen.