Simulation-based optimization of energy efficiency in production
Anna Carina Römer
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Integration von Energieaspekten in die Produktionssimulation. Die Energieverbräuche von Produktionsanlagen werden in einem Simulationsmodell abgebildet, um diese für die simulationsbasierte Optimierung der Energieeffizienz nutzen zu können und damit eine umfassende Prozessqualität im Hinblick auf den optimalen Energieeinsatz im Produktionsprozess sicherzustellen. Dazu wird ein hybrider Simulationsansatz entwickelt, der verschiedene Simulationsparadigmen in einem Modell kombiniert. Die Hybridisierung von Simulationsmodellen bietet dem Modellersteller eine große Flexibilität bei der Erfassung von Problemen, die sich gleichzeitig auf diskrete und kontinuierliche Strukturen beziehen. Das Simulationsmodell wird dann für Optimierungsexperimente genutzt. Die Grundidee hinter diesem Ansatz ist es, durch mehrere Iterationen, eine optimale Lösung für die zu variierenden Optimierungsparameter zu finden. Die Simulation wird durch die Optimierung gestartet, liefert die Ergebnisdaten und bildet die Grundlage für eine Beurteilung des dynamischen Verhaltens des abgebildeten Produktionssystems. Um die energetischen Aspekte in der Produktion für Optimierungsszenarien zu nutzen, werden lexikographisch geordnete Zielfunktionen abgeleitet, die im Rahmen von simulationsbasierten Optimierungsexperimenten ideale Parameterkonfigurationen für den energieeffizienten Betrieb der Produktion ermitteln. Der Fokus liegt dabei auf der Reduzierung des Energieverbrauchs durch die Vermeidung nicht-wertschöpfender Maschinenzeiten. Die Verbrauchsoptimierung zeigt auf, dass Unternehmen dieser Ressourcenverschwendung durch ein effizientes Schalten der Anlagen entgegenwirken können, ohne finanzielle Investitionen in neue Technologien zu tätigen. Neben der Optimierung des Gesamtenergiebedarfs werden im Rahmen einer Lastspitzen-Optimierung die Maschinenstarts innerhalb eines definierten Zeitraumes so angepasst, dass auftretende Spitzenlasten reduziert werden. Die praktische Anwendung der Methodik zeigt, dass es möglich ist, ein hybrides Simulationsmodel zur Darstellung des Energieverbrauchsverhaltens in der Produktion auf Basis historischer Verbrauchsdaten aufzubauen und in Kombination mit Prognosezahlen auch die zukünftigen Energieverbräuche mit den anstehenden Spitzenlasten und nicht wertschöpfenden Produktionsphasen sehr genau abzubilden.
