WO2001075539A1 - Verfahren und system zur adaptiven steuerung komplexer fertigungsketten - Google Patents

Verfahren und system zur adaptiven steuerung komplexer fertigungsketten Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for the adaptive control of complex production chains, and to a system for performing such a method.
  • a production chain is the series connection of several production machines. So-called buffers are located between the machines, with which different processing speeds of the production machines and short downtimes can be compensated.
  • the essential parameter of a buffer is the buffer time, i.e. a time during which a supply of intermediate products is generated, with which a machine downtime can be bridged without the production line coming to a standstill.
  • a target buffer time set according to such specifications does not necessarily have to be the optimal buffer time, particularly with regard to the production costs, which are very significantly influenced by production downtimes.
  • the optimal buffer time compensates for malfunctions in the preceding machine, so that there is no loss of production.
  • Optimal buffer times cannot be achieved with fixed times because influences such as machine age or the quality of the processed material are not taken into account.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a system and a method for adaptively controlling a production chain by automated optimization of the target buffer times of production chains.
  • This object is achieved by a method for controlling a discrete manufacturing process, which has the features specified in claim 1.
  • a corresponding system is specified in claim 2.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a manufacturing chain.
  • the manufacturing process in Fig. 1 is unidirectional and begins with machine M1.
  • Buffers P1 to P3 for storing intermediate products are set up between machines M1 to M4.
  • the decisive parameter of a buffer is the buffer time Tp, which can be bridged by processing an intermediate product supply when the machine is at a standstill.
  • a parameter MTTR (Mean Time to Repair) is assigned to each machine. This measure indicates a statistically averaged repair time.
  • FIG. 2 shows a system for the automated determination of optimal buffer times T P j, which are stored as target values in a target value memory 33 of a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • a data processing device contains a production data acquisition device 21 which has access to a data server 30, in which Production data are recorded, and 11 additional error event data can be entered by means of a data input.
  • the production data acquisition device 21 is set up to record machine downtimes and to store them in a production database 31 as time series.
  • An MTTR calculator 22 has access to the production database 31 and stores calculated MTTR key figures in an MTTR database 32.
  • a Tp calculator 23 also contained in the data processing device has access to the MTTR database 32 and sets buffer times T calculated by it Pi in the setpoint memory 33.
  • Fig. 3 shows the operation of the system shown in Fig. 2.
  • the downtimes of the machines required for the optimization including error event information, are recorded by means of the production data acquisition device 21 and stored in the production database 31 as time series.
  • the MTTR calculator 22 calculates the MTTR key figures. The MTTR results from the duration of the downtimes in the life cycle of a machine. The information is in the production database 31. If an error event occurs, the MTTR is recalculated.
  • step 300 the MTTR is stored in the MTTR database 32.
  • the current MTTR key figure is saved for each machine. It is also possible to additionally store the changes in the MTTR during the entire operating period in the MTTR database 32 for later analysis.
  • step 400 it is observed whether the MTTR changes significantly over time. Significance is recognized (MTTR alarm) when a specified delta threshold value is exceeded.
  • the respective new buffer time T P j is calculated by the Tp calculator 23 and specified as the target value in the target value memory 31.
  • Different assessment models can be used to determine the optimal buffer time. If, for example, the production costs are only influenced by the standstill of the production chain, the buffer times are chosen so that the machine downtimes are compensated. This means that the optimal buffer time results directly from the MTTR of the machine before the respective buffer.
  • FIG. 5 shows an example of an evaluation model that additionally takes into account the costs due to the buffer.
  • the fault event data can either be derived automatically by the production data acquisition 21 or the machine operator enters the data via the data input 11.
  • the evaluation is based on the unit cost of the product.
  • the production unit costs are influenced by machine costs, buffer costs and the product quantity n.
  • the buffer costs increase with a constant buffer cost factor Kp with the buffer time Tp.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und ein entsprechendes System zur Steuerung eines diskreten Fertigungsprozesses, bei dem ein Produkt in mehreren Fertigungsschritten, jeweils unter Einsatz einer Maschine (M1, M2, M3, M4) bearbeitet oder hergestellt wird, so dass je nach Fertigungsschritt unterschiedliche Zwischenprodukte entstehen, und bei dem Pufferzeiten (TPi) definiert und berücksichtigt werden, während der eine Maschine (z.B. M4) für die Dauer des Ausfalls einer der Maschinen (z.B. M3) eines vorgeschalteten Fertigungsschritts unter Abarbeitung eines der zugehörigen Pufferzeit (z.B. TP3) entsprechenden und in einem Puffer (P1, P2, P3, z.B. P3) während der Fertigung angelegten Zwischenproduktvorrates weiterarbeiten kann. Dabei werden je Maschine (M1, M2, M3, M4) fortlaufend Produktionsdaten erfasst, und unter Zugriff auf diese Produktionsdaten zyklisch statistisch gemittelte Reparaturzeiten MTTRi (Mean Time To Repair) mittels eines MTTR-Berechners (22) berechnet. Auf der Grundlage dieser Zeiten MTTRi werden mittels eines TP- Berechners (23) Pufferzeiten (TPi) berechnet, die einer Einrichtung (PLC) zur Steuerung des Fertigungsprozesses als Sollwerte für Pufferzeiten (TPi) zugeführt werden.

Description

Verfahren und System zur adaptiven Steuerung komplexer Fertigunqsketten
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur adaptiven Steuerung komplexer Fertigungsketten, sowie auf ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
In vielen Industriezweigen ist der Fertigungsprozeß in unterschiedliche Fertigungslinien, auch Fertigungsketten genannt, unterteilt. Eine Fertigungskette ist die Hintereinanderschaltung von mehreren Fertigungsmaschinen. Zwischen den Maschinen befinden sich sogenannte Puffer, mit denen unterschiedliche Bearbeitungsgeschwin- digkeiten der Fertigungsmaschinen und kurze Stillstände ausgeglichen werden können.
Die wesentliche Kenngröße eines Puffers ist die Pufferzeit, also eine Zeit, während der ein Vorrat an Zwischenprodukten erzeugt wird, mit dem ein Stillstand einer Maschine überbrückt werden kann, ohne daß die Fertigungslinie zum Stillstand kommt. Für die Festlegung der jeweiligen Pufferzeit gibt es Richtwerte des Herstellers der Fertigungsanlage.
Eine nach solchen Vorgaben eingestellte Soll-Pufferzeit muß jedoch keineswegs die optimale Pufferzeit sein, besonders im Hinblick auf die Produktionskosten, die ganz wesentlich durch Produktionsausfälle beeinflußt werden. Die optimale Pufferzeit gleicht Störungen der jeweils vorangehenden Maschine aus, so daß es nicht zum Produktionsausfall kommt. Mit festen Zeitvorgaben können optimale Pufferzeiten nicht erreicht werden, weil Einflüsse wie Maschinenalter oder Qualität des verarbeiteten Materials nicht berücksichtigt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur adaptiven Steuerung einer Fertigungskette durch automatisierte Optimierung der Soll-Pufferzeiten von Fertigungsketten anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung eines diskreten Fertigungsprozesses gelöst, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Ein entsprechendes System ist im Anspruch 2 angegeben.
Mit der Erfindung wird bei einer Fertigungskette eine automatisierte Optimierung der Pufferzeiten während ihres gesamten Lebenszyklusses erreicht.
Eine weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachstehend anhand eines in Zeichnungsfiguren angegebenen Ausführungsbeispiels.
Es zeigt:
Fig. 1 den Aufbau einer Fertigungskette,
Fig. 2 ein System zur automatisierten Bestimmung optimaler Pufferzeiten,
Fig. 3 die Arbeitsweise des Systems,
Fig. 4 Fehlerereignisdaten, und
Fig. 5 ein Bewertungsmodell.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Fertigungskette. Der Fertigungsprozeß in Fig. 1 ist einseitig gerichtet und beginnt mit Maschine M1. Zwischen den Maschinen M1 bis M4 sind jeweils Puffer P1 bis P3 zur Speicherung von Zwischenprodukten eingerichtet. Die entscheidende Kenngröße eines Puffers ist die Pufferzeit Tp, die durch Abarbeitung eines Zwischenproduktvorrates bei einem Maschinenstillstand überbrückt werden kann. Jeder Maschine ist eine Kenngröße MTTR (Mean Time to Repair) zugeordnet. Dieses Maß gibt eine statistisch gemittelte Reparaturzeit an.
Fig. 2 zeigt ein System zur automatisierten Bestimmung optimaler Pufferzeiten TPj, die als Sollwerte in einem Sollwertspeicher 33 einer speicherprogrammierten Steuerung (PLC) gespeichert werden.
Bei diesem System enthält eine Datenverarbeitungseinrichtung eine Produktionsdaten-Erfassungseinrichtung 21, die Zugriff auf einen Datenserver 30 hat, in dem Pro- duktionsdaten erfaßt sind, und der mittels einer Dateneingabe 11 zusätzliche Fehlerereignisdaten eingebbar sind. Die Produktionsdaten-Erfassungseinrichtung 21 ist dafür eingerichtet, Maschinen-Stillstandszeiten zu erfassen und in einer Produktionsdatenbank 31 als Zeitreihen abzulegen. Ein MTTR-Berechner 22 hat Zugriff auf die Produktionsdatenbank 31 , und speichert berechnete MTTR-Kennzahlen in einer MTTR-Datenbank 32. Ein außerdem in der Datenverarbeitungseinrichtung enthaltener Tp-Berechner 23 hat Zugriff auf die MTTR-Datenbank 32 und legt von ihm berechnete Pufferzeiten TPi im Sollwertspeicher 33 ab.
Fig. 3 zeigt die Arbeitsweise des in Fig. 2 dargestellten Systems. Dabei werden in einem Schritt 100 mittels der Produktionsdaten-Erfassungseinrichtung 21 die für die Optimierung benötigten Stillstandszeiten der Maschinen einschließlich Fehlerereignisangaben erfaßt und in der Produktionsdatenbank 31 als Zeitreihen abgelegt. In Schritt 200 berechnet der MTTR-Berechner 22 die MTTR-Kennzahlen. Die MTTR ergibt sich aus der Dauer des Stillstände im Lebenszyklus einer Maschine. Die Information dazu liegt in der Produktionsdatenbank 31. Tritt ein Fehlerereignis auf, wird die MTTR erneut berechnet.
In Schritt 300 wird die MTTR in der MTTR-Datenbank 32 gespeichert. Zu jeder Maschine wird die aktuelle MTTR-Kennzahl gespeichert. Es ist auch möglich, die Veränderungen der MTTR während der gesamten Betriebsdauer zwecks späterer Analyse zusätzlich in der MTTR-Datenbank 32 abzulegen.
In Schritt 400 wird beobachtet, ob sich die MTTR im Lauf der Zeit signifikant ändert. Eine Signifikanz wird erkannt (MTTR Alarm), wenn ein vorgegebener Delta- Schwellwert überschritten wird.
In Schritt 500 wird durch den Tp-Berechner 23 die jeweilige neue Pufferzeit TPj berechnet und als Sollwert im Sollwertspeicher 31 vorgegeben. Zur Festlegung der optimalen Pufferzeit können unterschiedliche Bewertungsmodelle herangezogen werden. Werden beispielsweise die Produktionskosten einzig durch den Stillstand der Fertigungskette beeinflußt, dann werden die Pufferzeiten so gewählt, daß die Maschinenstillstandszeiten ausgeglichen werden. Dies bedeutet, daß die optimale Pufferzeit sich direkt aus der MTTR der Maschine vor dem jeweiligen Puffer ergibt. Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Bewertungsmodell, das zusätzlich die Kosten durch den Puffer berücksichtigt.
Fig. 4 zeigt beispielhaft Fehlerereignisdaten, wobei jeweils Startzeit, Maschine, Fehlerereignis und Dauer aufgelistet sind. Die Fehlereignisdaten können entweder durch die Produktionsdatenerfassung 21 automatisch hergeleitet werden oder der Maschi- nenbediener gibt die Daten über die Dateneingabe 11 ein.
Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Bewertungsmodell. Die Bewertung wird anhand der Produktstückkosten vorgenommen. Im Beispiel werden die Produktionsstückkosten beeinflußt durch Maschinenkosten, Pufferkosten und der Produktmenge n. Im Beispiel steigen die Pufferkosten bei einem konstanten Pufferkostenfaktor Kp mit der Pufferzeit Tp.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines diskreten Fertigungsprozesses, bei dem ein Produkt in mehreren Fertigungsschritten, jeweils unter Einsatz einer Maschine (M1,M2,M3,M4) bearbeitet oder hergestellt wird, so daß je nach Fertigungsschritt unterschiedliche Zwischenprodukte entstehen, und bei dem Pufferzeiten (TPI) definiert und berücksichtigt werden, während der eine Maschine (z.B. M4) für die Dauer des Ausfalls einer der Maschinen (z.B. M3) eines vorgeschalteten Fertigungsschritts unter Abarbeitung eines der zugehörigen Pufferzeit (z.B. Tp3) entsprechenden und in einem Puffer (P1,P2,P3, z.B. P3) während der Fertigung angelegten Zwischenproduktvorrates weiterarbeiten kann, und wobei
a) je Maschine (M1,M2,M3,M4) fortlaufend Produktionsdaten erfaßt werden, b) unter Zugriff auf diese Produktionsdaten zyklisch statistisch gemittelte Reparaturzeiten MTTR; (Mean Time To Repair) mittels eines MTTR-Berechners (22) berechnet werden, und c) auf der Grundlage dieser Zeiten MTTRj mittels eines Tp-Berechners (23) Pufferzeiten (TR) berechnet werden, die einer Einrichtung (PLC) zur Steuerung des Fertigungsprozesses als Sollwerte für Pufferzeiten (TR) zugeführt werden.
2. System zur Steuerung eines diskreten Fertigungsprozesses, bei dem ein Produkt in mehreren Fertigungsschritten, jeweils unter Einsatz einer Maschine (M1,M2,M3,M4) bearbeitet oder hergestellt wird, so daß je nach Fertigungsschritt unterschiedliche Zwischenprodukte entstehen, und bei dem einer Einrichtung (PLC) zur Steuerung des Fertigungsprozesses Sollwerte für Pufferzeiten (TR) vorgegeben werden, während der eine Maschine (z.B. M4) für die Dauer des Ausfalls einer der Maschinen (z.B. M3) eines vorgeschalteten Fertiguhgsschritts unter Abarbeitung eines der zugehörigen Pufferzeit (z.B. TP3) entsprechenden und in einem Puffer (P1,P2,P3, z.B. P3) während der Fertigung angelegten Zwischenproduktvorrates weiterarbeiten kann, wobei zur automatisierten Ermittlung jeweils optimaler Pufferzeiten (TP|) eine Datenverarbeitungseinrichtung verwendet ist, die a) eine Produktionsdaten-Erfassungseinrichtung (21) aufweist, die Zugriff auf einen Datenseπ/er (30) hat, in dem Produktions- oder Fehlerereignisdaten erfaßt sind, und der mittels einer Dateneingabe (11) zusätzliche Fehlerereignisdaten eingebbar sind, und wobei die Produktionsdaten-Erfassungseinrichtung 21 ist dafür eingerichtet, Maschinen-Stillstandszeiten zu erfassen und in einer Produktionsdatenbank (31) als Zeitreihen abzulegen, b) einen MTTR-Berechner (22) aufweist, der Zugriff auf die Produktionsdatenbank (31) hat, und dafür eingerichtet ist, MTTR-Kennzahlen zu berechnen und in einer MTTR-Datenbank (32) abzulegen, c) einen Tp-Berechner (23) aufweist, der Zugriff auf die MTTR-Datenbank (32) hat, und dafür eingerichtet ist, von ihm unter Verwendung eines Bewertungsmodells berechnete Pufferzeiten Tp-, in einem Sollwertspeicher (33) des Steuerungssystems abzulegen.
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