Exemplarischer Energieverbrauch mit Tarifbestandteilen: Bei einer vertraglich festgelegten Leistungsobergrenze muss die bezogene Höchstleistung unterhalb dieser Grenze liegen, sonst entstehen erhebliche Zusatzkosten.

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Die Methode fokussiert auf kleine und mittlere Unternehmen (KMU), deren Produktion in einer Werkstattfertigung organisiert ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Produkt mehrere Arbeitsgänge benötigt, die an verschiedenen Maschinen durchgeführt werden. Darüber hinaus lassen sich Freiheitsgrade hinsichtlich alternativ zu wählender Maschinen innerhalb eines Bereichs (beispielweise zwei von vier Drehmaschinen in der Dreherei) in der Methode abbilden. Für stark verkettete Organisationsformen, wie eine Fließlinie, ist die Methode jedoch aufgrund der schwierigen Verschiebbarkeit von Aufträgen und Arbeitsgängen tendenziell ungeeignet. Eine weitere Anwendungsvoraussetzung besteht darin, dass Produkte mit unterschiedlichen Energieverbräuchen je Maschine gefertigt werden. Das heißt, der Energieverbrauch der Maschine muss produktabhängig sein, sonst ist durch das Vertauschen von Aufträgen keine Beeinflussung des Verlaufs des Energieverbrauchs erreichbar.

Nicht zuletzt müssen die notwendigen Energieverbrauchsdaten im Unternehmen vorhanden sein. Für jeden Produktionsauftrag muss dabei der Energieverbrauch über der Zeit, üblicherweise in Viertelstundenwerten, bekannt sein. Dazu ist im Idealfall jede Maschine mit einem Messzähler ausgerüstet. In der Praxis ist eine derart detaillierte Messung des Energieverbrauchs jedoch selten anzutreffen. Oft gibt es lediglich den Hauptzähler des Energieversorgers. Die Einzelverbräuche der Maschinen sind damit nicht ermittelbar. Diese lassen sich jedoch mittels mobiler Messzangen für relevante Produktionsaufträge erfassen. Die hierfür notwendigen Investitionen liegen im niedrigen vierstelligen Euro-Bereich.

Die vom IPH entwickelte Methode geht ferner davon aus, dass Aufträge, die alternativ auf mehreren Maschinen bearbeitet werden können, an diesen Maschinen zu ähnlichen Energieverbräuchen führen. Das heißt, der Energieverbrauch wird als weitestgehend maschinenunabhängig angenommen. Sinnvoll ist eine Erfassung der Energieverbräuche dabei nur für wiederkehrende Produkte, da die Verbräuche bei der Durchführung der Belegungsplanung bereits bekannt sein müssen.

Ein Beispiel für energieintensive Produktionstechniken ist das Herstellen von Schmiedeteilen: Schafft es ein Schmiedeunternehmen beispielsweise, seine Lastspitze mit Hilfe der am IPH entwickelten Methode von 9000 kW auf 8000 kW zu reduzieren, so sind die Energiekosten – bei einem angenommenen Multiplikator zur Berechnung des Leistungspreises von 60 €/kW – pro Jahr um 60.000 € reduzierbar.

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Die entwickelte Methode zur energiekostenorientierten Belegungsplanung ergibt am Ende einen Belegungsplan, in dem alle Aufträge an den entsprechenden Maschinen so terminiert sind, dass die entstehenden Gesamtkosten minimiert werden. Zur Errechnung der Energiekosten muss dazu die neue, geringere Lastspitze identifiziert werden. Hierzu erfolgt die Aufsummierung der Energieverbräuche aller zu einem bestimmten Zeitpunkt laufenden Maschinen. Als Zeiteinheit werden die bereits erwähnten Viertelstundenwerte verwendet. Für die Minimierung der Lastspitze und somit der Energiekosten wird zunächst der Mittelwert des Gesamt-Energieverbrauchs errechnet. Die Differenz der für jeden Viertelstundenwert aufsummierten Energieverbräuche von dem ermittelten Mittelwert stellt das Minimierungskriterium dar.

Die Minimierung der sich in der Produktion befindlichen Bestände und der Durchlaufzeit eines Auftrags ergibt sich durch die Minimierung der zeitlichen Abstände zwischen den Arbeitsgängen eines Auftrags sowie der Minimierung der Liegezeit im Rohteil- und Fertigwarenlager. Diese Regeln werden als mathematische Gleichungen formuliert und in einem linearen Optimierungsproblem modelliert. Das entstehende Problem ist aber so komplex, dass es für große Problem-Instanzen nicht optimal zu lösen ist oder eine unwirtschaftliche Rechenzeit in Anspruch nimmt. Abhilfe schaffen kann hier die Verwendung einer Heuristik in Form eines genetischen Algorithmus. Eine Heuristik löst ein mathematisches Problem durch sinnvolle Vorgehensregeln, garantiert aber nicht das Finden der optimalen Lösung. Dafür findet eine Heuristik in einem Bruchteil der sonst benötigten Rechenzeit eine sich nahe am Optimum befindende Lösung. Der genetische Algorithmus als eine Form der Heuristik sucht nach Lösungen am Vorbild der biologischen Evolution.

Ergebnis der Methode ist schlussendlich ein kostenoptimaler Belegungsplan. Zusätzlich erfolgt die Abbildung des Belegungsplans, der die Ausgangssituation eines produzierenden Unternehmens vor der Anwendung der Methode darstellt. Mittels eines anschließenden Vorher-Nachher-Vergleichs werden die sich einstellenden Einsparpotenziale sichtbar und der Anwender kann den Nutzen der Methode quantifizieren.

Nach vollständiger Fertigstellung der Methode ist anvisiert, dass Softwarehersteller das mathematisch formulierte Problem in ihre ERP- und MES-Systeme integrieren und die Methode dann innerhalb dieser Systeme automatisiert bei der Belegungsplanung Verwendung findet. Unternehmen, die an einem solchen Vorhaben oder an einer Pilotanwendung der Methode interessiert sind, können sich an das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) wenden.

Autoren: Christian Böning arbeitet am IPH, Institut für Integrierte Produktion Hannover, als Projektingenieur im Bereich Logistik, Prof. Dr. Peter Nyhuis ist Leiter des Instituts für Fabrikanlagen und Logistik (IFA) der Leibniz Universität Hannover und geschäftsführender Gesellschafter des IPH, Georg Ullmann ist koordinierender Geschäftsführer des IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover.