Steigerung der Produktivität und Nachhaltigkeit mit digitaler Produktionsoptimierung aus NRW
Das OptiProd.NRW-Team besteht aus erfahrenen IKT- und Simulationsexperten, führenden Forschern im Bereich der optimalen Produktionsplanung und Global Playern der Prozessindustrie. Im Folgenden stellen sich die Partner kurz vor.
INOSIM Software GmbH (Koordinator)
Die INOSIM Software GmbH wurde 2003 mit dem Ziel gegründet, der chemischen, pharmazeutischen, biotechnologischen und verwandten Industrien leistungsfähige Software für die Prozesssimulation an die Hand zu geben. Heute gehört INOSIM weltweit zu den Technologieführern auf diesem Gebiet und zählt praktisch alle Global Player sowie viele weitere, meist hochspezialisierte Technologie-Unternehmen zu seinen Kunden. Software von INOSIM wird für eine Vielzahl von Aufgabenstellungen einsetzt, z. B. für die simulationsgestützte Prozessauslegung, die Überprüfung, Bewertung und Optimierung von Produktions- und Logistikkonzepten und die simulationsgetriebene Analyse, Optimierung und Produktionsplanung für existierende Produktionsanlagen. Zudem arbeitet INOSIM mit mehreren etablierten Unternehmen der Prozessindustrie daran, seine Simulationssoftware auch für die simulationsbasierte Entscheidungsunterstützung in der modernen Chargenproduktion zu etablieren.
Die INOSIM Software GmbH ist ein erfahrener Partner in F&E-Projekten, sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene. INOSIM hat langjährige Erfahrung in der Analyse und Unterstützung der manuellen Optimierung von Produktionsplänen auf der Basis von Simulationen mit detaillierten Materialflussmodellen. In zahlreichen Beratungsprojekten zur Auslegung neuer Produktionsanlagen sowie zur Analyse und Optimierung existierender Anlagen konnte INOSIM selbst ohne die Nutzung mathematischer Optimierung beachtliche Erfolge in allen Zweigen der Prozessindustrie erzielen, z.B. die Erhöhung des Produktionsvolumens um 30% und mehr allein durch Debottlenecking und Planänderungen in der Produktion, oder die Vermeidung von Erweiterungsmaßnahmen durch eine Erhöhung der Auslastung der Produktionsanlage. Ungeachtet dieser Erfolge ist zu erwarten, dass durch mathematische Optimierung weitere signifikante Einsparungen und Effizienzverbesserungen erreichbar sind. Moderne Produktionsanlagen sind äußerst komplex, so dass händisch nur eine sehr kleine Auswahl möglicher Produktionspläne erstellt und geprüft werden kann. Mathematische Optimierer sind darüber hinaus Innovationsgeneratoren, da sie, im Gegensatz zu Menschen, auch ausgefallene und unintuitive Möglichkeiten prüfen, die evtl. weiteres Verbesserungspotential bieten.
INOSIM-Mitarbeiter Dr.-Ing. Christian Sonntag, der im Projekt die Rolle des Koordinators einnimmt, hat viele Jahre Erfahrung in der Akquise, dem Management und der technologische Umsetzung von nationalen und EU-Projekten (FP6, FP7, H2020). Dazu gehören z. B. CONSENS, HYCON, HYCON2, MULTIFORM, DYMASOS, LEGOLAS, und SkaMPi. Er ist zudem erfahren in der anwendungsgetriebenen Forschung und Entwicklung, unter anderem in den Bereichen der Modellierung und Simulation, der mathematischen Optimierung und der optimalen Regelung. Zusammen mit Prof. S. Engell (Partner TU Dortmund) arbeitete er im Rahmen der EU-Projekte CPSoS (das von Prof. Engell koordiniert wurde) und PICASSO auch an der Strategieentwicklung für verschiedene technologische Gebiete, darunter cyber-physikalische Systeme (CPS), das Internet der Dinge (IoT), Industrie 4.0 und Systeme von Systemen (SoS). Partner INOSIM koordiniert das Projekt und trägt zu allen technischen Arbeitspaketen bei. Der Fokus der Arbeiten ist die Entwicklung eines integrativen Softwaresystem, das alle im Projekt entwickelten Komponenten zusammenbringt. Dazu bringt INOSIM seine technische und industrielle Expertise sowie die umfassenden Erfahrungen im Bereich des Managements von F&E-Projekten in das Vorhaben ein.
Lehrstuhl für Systemdynamik und Prozessführung (DYN), Technische Universität Dortmund
Der Lehrstuhl für Systemdynamik und Prozessführung an der TU Dortmund unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Sebastian Engell ist ein weltweit führendes Forschungsinstitut im Bereich des optimalen Betriebs verfahrenstechnischer Produktionsanlagen. Arbeitsschwerpunkte sind die modellprädiktive Regelung, die anlagenübergreifende Erfassung und Optimierung der Effizienz verkoppelter Produktionsanlagen und die Berechnung optimaler Produktionspläne für Chargenprozesse.
Der Lehrstuhl für Systemdynamik und Prozessführung beschäftigt sich seit langem mit Verfahren zur Produktionsplanung und -steuerung in Chargenprozessen. Es wurden sowohl neue Formulierungen der mathematischen Optimierung als auch „unkonventionelle“ Verfahren wie die Optimierung auf der Grundlage von Zeitautomaten oder der Einsatz von evolutionären Algorithmen untersucht. Besonders relevant für dieses Projekt sind die Vorarbeiten zur Optimierung der Abläufe in sog. Pipeless Plants (Rohrlosen Anlagen). Diese weisen eine Vielzahl von interagierenden Freiheitsgraden auf, von der Auswahl der Stationen für die Bearbeitung eines Auftrags über die Reihenfolgeplanung bis zur Wegeplanung der fahrerlosen Transportsysteme.
Im Projekt OptiProd.NRW wird ein Ansatz verfolgt, der auf der Kombination von Metaheuristiken mit unterlagerten Einplanungsmechanismen basiert. Er eignet sich für komplexe Aufgabenstellungen mit einer hohen Anzahl von Freiheitsgraden.
Bayer AG
Die Bayer AG aus Leverkusen ist ein Life-Science-Unternehmen mit einer über 150-jährigen Geschichte und Kernkompetenzen auf den Gebieten Gesundheit und Agrarwirtschaft. Sie beschäftigt zahlreiche Experten, die regelmäßig Prozesssimulations-Software einsetzen, um Produktionsanlagen zu modellieren, zu analysieren und strukturell zu verbessern. Diese Ingenieure bringen große Erfahrung in der Anlagenplanung und dem Design von Produktionsfeinplänen ins Projekt ein. Die simulierten Anlagentypen umfassen die chemische und biologische Wirkstoffproduktion, die Produktformulierung und Verpackung sowie die umgebenden Logistikbereiche. Diese Kenntnisse ermöglichen es, in Zusammenarbeit mit den anderen Projektpartnern eine geeignete Anlage für die Fallbeispiele des Projektes systematisch zu modellieren und zu erproben. Auch bei der Bewertung der Projektergebnisse spielt das Expertenwissen von Bayer eine zentrale Rolle. Das Unternehmen kooperiert in Forschung und Entwicklung seit vielen Jahren intensiv mit der TU Dortmund und mit INOSIM.
Insbesondere nutzt Bayer seit vielen Jahren die Simulationssoftware der INOSIM Software GmbH zur Analyse und Verbesserung seiner Produktionsanlagen. Zum Teil werden diese Modelle an den Standorten weiterverwendet, um Produktionspläne, die vom ERP-Planungssystem generiert werden, auf Realisierbarkeit zu prüfen und simulativ nachzubessern. Hierbei zeigte sich, dass die Detailtiefe und damit auch die Vorhersagequalität der INOSIM-Materialflussmodelle denen traditioneller Planungssysteme überlegen ist. Die Modelle beinhalten komplexe Entscheidungsregeln, die dazu dienen, den Produktionsaufträgen freie Ressourcen (Apparate, Rohstoffe, Personal etc.) automatisch zuzuordnen. Dieser Ansatz liefert zwar immer realisierbare Produktionsfeinpläne, benötigt aber eine aufwändige manuelle Vorsortierung und Priorisierung der Auftragsliste, um eine brauchbare Performance zu erreichen. Optimale oder gar optimale echtzeitfähige Produktionsplanung ist bei Bayer daher noch nicht etabliert. Bayer befasst sich daher in Zusammenarbeit mit der TU Dortmund auch mit rein mathematischen Optimierungsansätzen. Aufgrund der Komplexität und der enormen Anzahl an Freiheitsgraden in der Produktion kann dieser Ansatz bislang nur für sehr kleine Anlagen optimale Produktionsfeinpläne finden.
Bayer hat zudem eine Methodik entwickelt, um Materialflussmodelle in der Life-Cycle-Analyse zu nutzen. Hierbei können die Ressourcen- und Energieeffizienz sowie entsprechende Verbesserungsmaßnahmen systematisch bewertet werden. Dieser Ansatz liefert wegen des ganzheitlichen Modellansatzes sehr zuverlässige Ergebnisse.
