Um jährlich über 5 Mio. Tonnen Stahl herzustellen und jeden Auftrag exakt termingerecht auszuliefern, muss das Stahlwerk der Hüttenwerke Krupp Mannesmann (HKM) nach einem strikten Zeitplan arbeiten. Jeder Prozessschritt ist dazu sorgfältig abzustimmen und zu koordinieren: Schließlich müssen Tonnen von Roheisen, Schrott und andere Rohstoffe genau zum richtigen Zeitpunkt an die jeweilige Anlage geliefert werden. Bevor der Stahl weiterverarbeitet werden kann, zum Beispiel zu Brammen oder Rundstahl, muss er zuvor im Schnitt auf 1750 °C erhitzt werden und benötigt nach dem Abguss wieder entsprechend Zeit zum Abkühlen.

Während die Einzelschritte der Roheisenherstellung einem vergleichsweise einfachen linearen Produktionsfluss folgen, gestaltet sich der Betrieb eines Stahlwerks durch die erforderliche Logistik sowie die Kundenanforderungen erheblich komplexer: Bei der HKM setzt sich die Stahlherstellung aus über 150 Einzelschritten und einer Vielzahl von Randbedingungen zusammen, die durch die vorhandene Ausrüstung, die Verfügbarkeit von Rohstoffen, Umweltvorschriften und die Anforderungen von Kunden vorgegeben sind. In der Regel müssen die Aufträge in mehrere Chargen aufgeteilt und zu ganz bestimmten Terminen ausgeliefert werden. Schmelzen vergleichbarer Qualität werden in einer festgelegten Reihenfolge zu Sequenzen zusammengefasst, die wiederum möglichst ohne Unterbrechung auf den Gießanlagen abgegossen werden sollten.

Stressfaktor Terminplanung

Die komplexe Auftrags- und Zeitplanung für die gesamte Anlage wurde beim früheren Prozess von Disponenten manuell erstellt. Diese Verfahrensweise eignet sich zwar gut zur Optimierung von Durchlauf- und Produktionsmenge. Allerdings wird es kritisch, wenn auch die von den Kunden vorgegebenen Liefertermine zu berücksichtigen sind. Zudem erfordert die Aufgaben eines Disponenten eine so umfassende Kenntnis des Produktionsverfahrens, dass dafür nur wenige Mitarbeiter qualifiziert waren. Wenn nur ein Mitarbeiter ausfiel, stellte dies zudem ein erhebliches wirtschaftliches Risiko dar.

Um dieses Risiko zu verringern, sollte ein automatisiertes System realisiert werden, das zudem die Produktionsleistung der Anlage maximiert und die Einhaltung der Liefertermine sicherstellt. Die Ingenieure von HKM entwickelten dazu ein automatisiertes Feinterminierungs-System mithilfe der mathematischen Berechnungssoftware Matlab und weiterer Tools. „Durch den Einsatz von Matlab konnten wir in kurzer Zeit ein System zur globalen Optimierung unseres Stahlherstellungsverfahrens entwerfen, als Java-Komponente implementieren, in ein bestehendes System einbinden und auf einem Rechner-Cluster ausführen“, erklärt Alexey Nagaytsev, Projektmanager bei HKM. Innerhalb weniger Minuten liefert das System nun objektive Ergebnisse für ein komplexes Optimierungsproblem. Zudem lassen sich damit reibungslos Änderungen durchführen, um zum Beispiel veränderte Randbedingungen zu berücksichtigen oder das System neu zu skalieren.