Reaktive Planung in der chemischen Industrie: Verfahren zur operativen Plananpassung für Mehrzweckanlagen

246 Pages·2008·3.232 MB·German

by  Ulf Neuhaus

Ulf Neuhaus
Reaktive Planung in der chemischen Industrie
GABLER EDITION WISSENSCHAFT
Produktion und Logistik
Herausgegeben von
Professor Dr. Wolfgang Domschke,
Technische Universität Darmstadt,
Professor Dr. Andreas Drexl,
Universität Kiel,
Professor Dr. Bernhard Fleischmann,
Universität Augsburg,
Professor Dr. Hans-Otto Günther,
Technische Universität Berlin,
Professor Dr. Christoph Haehling von Lanzenauer,
Freie Universität Berlin,
Professor Dr. Karl Inderfurth,
Universität Magdeburg,
Professor Dr. Klaus Neumann,
Universität Karlsruhe,
Professor Dr. Christoph Schneeweiß,
Universität Mannheim (em.),
Professor Dr. Hartmut Stadtler,
Technische Universität Darmstadt,
Professor Dr. Horst Tempelmeier,
Universität zu Köln,
Professor Dr. Gerhard Wäscher,
Universität Magdeburg
Kontakt: Professor Dr. Hans-Otto Günther, Technische Universität Berlin,
FGBWL – Produktionsmanagement, Wilmersdorfer Str. 148, 10585 Berlin
Diese Reihe dient der Veröffentlichung neuer Forschungsergebnisse
auf den Gebieten der Produktion und Logistik. Aufgenommen werden
vor allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und
Habilitationsschriften. Die Publikationen vermitteln innovative Beiträ-
ge zur Lösung praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und
Logistik unter Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informa-
tionstechnologie.
Ulf Neuhaus
Reaktive Planung in der
chemischen Industrie
Verfahren zur operativen Plananpassung
für Mehrzweckanlagen
Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Hans-Otto Günther
GABLER EDITION WISSENSCHAFT
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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
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Dissertation Technische Universität Berlin, 2007
D83
1. Auflage 2008
Alle Rechte vorbehalten
© Betriebswirtschaftlicher Verlag Dr.Th.Gabler | GWVFachverlage GmbH, Wiesbaden 2008
Lektorat: Frauke Schindler /Nicole Schweitzer
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wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: Regine Zimmer, Dipl.-Designerin, Frankfurt/Main
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8349-1068-4
V
Geleitwort
Insbesondere in der chemischen Industrie, die sich durch wesentlich komplexere
Verfahrensbe-dingungen als die Fertigungsindustrie auszeichnet, ist eine systematische Ab-
laufplanung für die einzelnen Produktionsschritte unverzichtbar. In der wissenschaftlichen
Literatur wurden bisher überwiegend sogenannte prädiktive Planungsverfahren entwickelt,
die von einer gegebenen Datenbasis ausgehen und Abweichungen des tatsächlichen von
dem geplanten Produktionsablauf ignorieren. Eine Aktualisierung der Planung erfolgt dabei
üblicherweise in periodischen Abständen für einen sich rollierend nach vorne verschieben-
den Planungshorizont. Erfahrungsgemäß verhalten sich gerade chemische Produktionspro-
zesse nicht so, wie in der Planung angenommen. Nach traditionellem Planungsverständnis
erfolgt bei signifikanten Abweichungen, die beispielsweise durch Anlagenausfälle, Termin-
abweichungen oder Auftragsänderungen verursacht sind, aber auch durch prozessbedingte
Abweichungen von den chemischen Spezifikationen der Output-Produkte ausgelöst wer-
den können, entweder eine vollständige Neuplanung aufgrund der geänderten Ausgangs-
bedingungen, oder die verantwortlichen Planer reagieren durch improvisierte ad-hoc-
Maßnahmen.
Ein reaktives Planungssystem hingegen, wie es Herr Dr. Ulf Neuhaus in seiner Untersu-
chung entwickelt, „repariert“ den bestehenden Ablaufplan, indem gezielte Anpassungen an
die sich ändernden Ausgangsbedingungen vorgenommen werden. Die Überwachung und
dynamische Anpassung des Ablaufplans erfolgt in einem simulationsgestützten Scheduling-
System, das aus den Modulen „Scheduler“, „Analyzer“ und „Rescheduler“ besteht.
Während der „Scheduler“ den prädiktiven Ausgangsplan erzeugt, werden signifikante Plan-
abweichungen durch den „Analyzer“ festgestellt. Durch den „Rescheduler“ werden dann
mit Hilfe spezifischer Optimierungsmodelle gezielte Plananpassungen vorgenommen. Für
kleinere Probleminstanzen kann hierzu auf gemischt-ganzzahlige Optimierungsmodelle
zurückgegriffen werden. Um den Anforderungen geringer Rechenzeiten gerecht zu werden,
entwickelt Herr Dr. Neuhaus ein heuristisches Verfahren, das auf einer Dekomposition des
Gesamtproblems in mehrere Teilprobleme beruht. Wesentlicher Bestandteil des Verfahrens
ist die Konstruktion von „Pegging“-Beziehungen, mit denen die Materialflüsse und Vor-
rangbeziehungen zwischen den einzelnen Prozessaufträgen abgebildet werden. Dieser De-
kompositionsansatz erfordert nur geringe Rechenzeiten und ist daher auch für große Prob-
leminstanzen geeignet. Umfangreiche numerische Experimente belegen die Güte und Prak-
tikabilität der vorgestellten reaktiven Planungsansätze.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Herr Dr. Neuhaus in seiner Untersuchung ein
wichtiges Thema behandelt, das bisher in der wissenschaftlichen Literatur zu Unrecht ver-
VI Geleitwort
nachlässigt wurde. Reaktive Planungssysteme sind in beinahe allen Industriezweigen von
großer Bedeutung. Die Auswirkungen von Umplanungen sind bei chemischer
Batchproduktion auf Mehrzweckanlagen besonders gravierend. Die wissenschaftlichen
Leistungen von Herrn Dr. Neuhaus bestehen nicht nur darin, dass er ein vollständiges Sys-
tems der reaktiven Anlagenbelegungsplanung entwickelt, sondern Unsicherheiten in Form
von konkreten Störereignissen erfasst (z.B. Maschinenausfällen oder Spezifikationsabwei-
chungen) und nicht, wie in traditionellen Planungsansätzen üblich, durch schwer zu be-
stimmende stochastische Verteilungen approximiert. Insofern eröffnet Herr Dr. Neuhaus
das Blickfeld für diesen bisher vernachlässigten Untersuchungsgegenstand. Zunehmende
Bedeutung gewinnen die Beiträge von Herrn Dr. Neuhaus vor dem Hintergrund der in der
Praxis immer häufiger eingesetzten Advanced Planning Systeme mit ihren bisher noch ru-
dimentär entwickelten Umplanungsmodulen („Capable to promise“).
Gemessen am Stand der internationalen Forschung stellen die von Herrn Dr. Neuhaus
erarbeiteten reaktiven Planungsansätze bemerkenswerte Forschungsbeiträge dar. Insofern
ist die von Herrn Dr. Neuhaus vorgelegte Schrift für die industrielle Praxis gleichermaßen
lesenswert wie für einschlägig orientierte Wissenschaftler. Ich wünsche daher der Arbeit
eine weite Verbreitung und eine interessierte Leserschaft.
Prof. Dr. H.O. Günther
VII
Vorwort
Das Interesse zur Behandlung der Thematik der reaktiven Produktionsplanung ist unmit-
telbar aus einem Praxisprojekt in der chemischen Industrie entstanden. Da in diesem Pro-
duktionsumfeld ein hohes Maß an Dynamik und Unsicherheit vorherrscht, besteht hier ein
besonders hoher Bedarf an planungsunterstützenden Methoden zur fortwährenden Anpas-
sung des aktuellen Produktionsplans.
Die Gelegenheit zur wissenschaftlichen Bearbeitung dieses Problemfeldes wurde mir durch
Prof. Dr. Günther am Lehrstuhl für Produktionsmanagement der Technischen Universität
Berlin geboten. Für seine wertvollen Anregungen und die jederzeit vorhandene fachliche
Unterstützung möchte ich ihm meinen ausdrücklichen Dank aussprechen. Dabei habe ich,
neben der Möglichkeit die erarbeiteten Erkenntnisse der nationalen und internationaln For-
schungsgemeinschaft präsentieren zu können, ebenso die vielfältigen Lehrstuhlkontakte zur
Praxis als besonders stimulierend empfunden. Darüber hinaus gilt mein Dank Prof. Dr.
Mattfeld für seine bereitwillige Zusage meine Arbeit als Zweitgutachter zu betreuen, wie
auch Prof. Dr. Trommsdorff für seine Arbeit als Vorsitzender des Promotionsausschusses.
In ausgesprochen positiver Erinnerung werde ich den freundschaftlichen und hilfsbereiten
Umgang aller Mitarbeiter des Lehrstuhls bewahren. Trotz der eigenen Arbeitsbelastung
waren Martin Grunow, Matthias Lehmann, Onur Yilmaz, Gang Yang und Markus Meiler
stets bereit zur fachlichen Diskussion und Hilfestellung. Wertvolle Unterstützung in der
Anfangsphase dieses Projekts leistete Jenny Golz durch ihre Arbeit als Forschungstutorin.
Für die angenehme Arbeitsathmospäre gilt mein Dank in besonderem Maße Hanni Just
und allen übrigen Mitarbeitern des Lehrstuhls.
Die Erstellung dieser Arbeit wäre nicht möglich gewesen ohne meine Eltern, deren Unter-
stützung und Rückhalt ich die dazu notwendige Ausbildung verdanke. Mein größter Dank
gilt Maja, die mir jederzeit den notwendigen privaten Beistand leistete.

Ulf Neuhaus
IX
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung............................................................................................................1
1.1 Motivation........................................................................................................................1
1.2 Untersuchungsgegenstand.............................................................................................3
1.3 Vorgehen..........................................................................................................................4
2. Produktionswirtschaftliche Grundlagen der chemischen Industrie...................6
2.1 Branchencharakteristika der chemischen Industrie...................................................6
2.1.1 Abgrenzung zu anderen Industriezweigen.............................................................6
2.1.2 Strukturierung chemischer Produktionsprozesse..................................................9
2.2 Typologische Merkmale chemischer Produktionsanlagen......................................10
2.2.1 Betriebsweisen von Reaktoren...............................................................................11
2.2.1.1 Diskontinuierlicher Betrieb............................................................................12
2.2.1.2 Kontinuierlicher Betrieb................................................................................13
2.2.1.3 Halbkontinuierlicher Betrieb.........................................................................14
2.2.2 Anlagentypen............................................................................................................14
2.2.2.1 Mehrproduktanlagen.......................................................................................14
2.2.2.2 Mehrzweckanlagen..........................................................................................15
2.2.2.3 Einzweckanlagen.............................................................................................15
2.2.3 Anlagenfahrweise.....................................................................................................16
2.3 Produktionsplanung in der chemischen Industrie...................................................16
2.3.1 Netzwerkdesign........................................................................................................19
2.3.2 Absatzplanung und Verfügbarkeitsprüfung.........................................................20
2.3.3 Netzwerkplanung.....................................................................................................21
2.3.4 Anlagenbelegungsplanung......................................................................................23
2.4 Zusammenfassung........................................................................................................26
3. Reaktive Anlagenbelegungsplanung.................................................................27
3.1 Abgrenzung von prädiktiver und reaktiver Planung...............................................28
X Inhaltsverzeichnis
3.2 Ursprung und Wirkung von Störungen.....................................................................29
3.2.1 Ursachen....................................................................................................................30
3.2.1.1 Bedarfs- und produktbedingte Unsicherheiten...........................................30
3.2.1.2 Anlagen- und prozessbedingte Unsicherheiten..........................................31
3.2.2 Kontext......................................................................................................................33
3.2.3 Wirkung.....................................................................................................................33
3.2.4 Reaktion.....................................................................................................................34
3.3 Anforderungen an reaktive Planungsverfahren........................................................36
3.4 Systematisierung der Verfahren zur Berücksichtigung von Unsicherheit............38
3.4.1 Robuste Planung......................................................................................................39
3.4.2 Reaktive Planung......................................................................................................41
3.4.2.1 Prädiktiv-Reaktive Planungsstrategie...........................................................41
3.4.2.2 Dynamische Planungsstrategie......................................................................46
3.5 Bewertungskriterien......................................................................................................47
3.5.1 Effektivität.................................................................................................................48
3.5.2 Robustheit.................................................................................................................48
3.5.3 Flexibilität..................................................................................................................49
3.5.4 Stabilität.....................................................................................................................50
3.5.4.1 Lokale Stabilitätsmaße....................................................................................55
3.5.4.2 Globale Stabilitätsmaße..................................................................................58
3.6 Zusammenfassung........................................................................................................60
4. Entwicklung einer systemgestützten Reschedulingmethodik.........................62
4.1 Einsatzrahmen und grundlegende Annahmen.........................................................63
4.2 Architektur des reaktiven Schedulingsystems...........................................................64
4.2.1 Planungslauf und rollierende Planung...................................................................65
4.2.2 Planungsdatenbank..................................................................................................67
4.2.2.1 Prozessdaten....................................................................................................68
4.2.2.2 Planungs- und Bedarfsdaten..........................................................................70
4.2.2.3 Störungsdaten..................................................................................................70
4.2.2.4 Zustandsdaten..................................................................................................70
4.2.3 Scheduler...................................................................................................................71