Zeit- und Reihenfolgeoptimierung für ein Grobblechwalzwerk mit Anwärmöfen im Chargenbetrieb

Projektschwerpunkte

  • Mathematische Modellierung von Anwärmöfen im Chargenbetrieb
  • Zeitoptimale Ansteuerung von Anwärmöfen
  • Optimale Zeitplanung von Erwärm,- Walz,- und Manipulationsprozessen
  • Reihenfolgeoptimierung für einen finiten Produktionshorizont

Beschreibung

In der Halbleiterindustrie kommen bei Sputter-Prozessen reine Metalle und spezielle Metalllegierungen als Sputter-Targets zum Einsatz. An diese Targets werden strenge Qualitätsanforderungen im Hinblick auf Form, Gefügestruktur und Reinheit gestellt, um eine entsprechend hochwertige Halbleiterfertigung zu garantieren. Die Herstellung von Sputter-Targets, insbesondere aus Werkstoffen mit hohen Schmelzpunkten (z.B. Molybdän), erfolgt dabei oft durch Sintern und anschließende Warmumformung. Beim Sintern wird Metallpulver in eine Form gepresst und erhitzt. Die so erhaltenen Sinterplatten werden in Öfen wiedererwärmt und an einem Walzgerüst zu Flachprodukten (Target-Platten) umgeformt.

Anlagenübersicht

Anlagenübersicht.

Abbildung 1 zeigt eine Prinzipskizze der untersuchten Anlage. Die Anlage besteht aus mehreren Öfen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus, einem Rollgang mit Reversierwalzgerüst und einem Produktmanipulator. Der Manipulator ist für alle Transporte der Produkte zwischen den Öfen und dem Rollgang zuständig. Die Erwärmung der Platten in den Öfen nimmt um ein Vielfaches mehr Zeit in Anspruch als die einzelnen Walzstiche. Zusätzlich sind zwischen den Walzstichen oft Zwischenerwärmungen vorgesehen. Da heiße Produkte nicht zwischengelagert werden können, muss die Verfügbarkeit der benötigten Anlagenteile zum jeweiligen Zeitpunkt stets garantiert sein. Die Produktivität der Anlage ist daher stark von den Ofenliegezeiten, sowie von der zeitlichen Verzahnung der Prozessschritte an den einzelnen Anlagenteilen abhängig. Ziel dieses Projekts ist es, einerseits die Ofenliegezeiten zu minimieren, und andererseits die Produktreihenfolge und die Startzeitpunkte der einzelnen Prozessschritte so zu wählen, dass die Anlage maximalen Durchsatz erzielt.

Als Grundlage für die Optimierung der Ofenliegezeiten wird ein thermisches Modell zur Simulation der Produkt- und Ofentemperaturen entwickelt. Abbildung 2 zeigt seinen formalen Aufbau. Dieses Simulationsmodell ermöglicht es, vorab minimale Heizzeiten zu berechnen und die Produkttemperatur während der Erwärmung im laufenden Betrieb mitzuschätzen. Zusätzlich dient das Modell als Entwurfsgrundlage einer modellbasierten Regelungsstrategie mit dem Ziel einer zeitoptimalen Ofenansteuerung.

Thermisches Modell

Thermische Modellierung der Öfen.

Des Weiteren wird ein Software-Werkzeug entwickelt, welches eine Optimierung der Produktreihenfolge und der Prozesszeiten vornimmt. Dieses Programm basiert auf den berechneten minimalen Heizzeiten und auf den bekannten Walz- und Manipulationszeiten aller Produkte eines zukünftigen Planungshorizonts. Das zugrundeliegende kombinatorische Optimierungsproblem (Flexible Job Shop Scheduling Problem) ist als NP-schwer bekannt. Das Problem kann durch eine Aufteilung in die Bestimmung der Prozesszeiten bei bekannter Produktreihenfolge und eine übergeordnete Optimierung der Produktreihenfolge gelöst werden. Die optimalen Prozesszeiten werden mit einem eigens entwickelten rekursiven Algorithmus ermittelt. Zur Optimierung der Produktreihenfolge kommen heuristische Methoden zum Einsatz.

Ausgewählte Publikationen

  • A. Aschauer, F. Roetzer, A. Steinboeck, and A. Kugi, An Efficient Algorithm for Scheduling a Flexible Job Shop with Blocking and No-Wait Constraints, in Proceedings of the 20th IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017, pp. 12490-12495.
    [BibTex]
    @InProceedings{Aschauer17,
    author = {Aschauer, A. and Roetzer, F. and Steinboeck, A. and Kugi, A.},
    title = {An Efficient Algorithm for Scheduling a Flexible Job Shop with Blocking and No-Wait Constraints},
    booktitle = {Proceedings of the 20th IFAC World Congress},
    year = {2017},
    volume = {50},
    number = {1},
    month = {7},
    pages = {12490-12495},
    doi = {10.1016/j.ifacol.2017.08.2056},
    address = {Toulouse, France},
    issn = {2405-8963},
    }

Anwendungsbereiche

  • Walzwerksautomatisierung
  • Industrieöfen
  • Zeit- und Reihenfolgeoptimierung in Produktionsprozessen

Fördergeber

Diese Forschungsarbeiten sind Teil des EU-Projekts SemI40, welches durch das Programm ECSEL Joint Undertaking (Grant Agreement No. 692466) und durch das Programm “IKT der Zukunft” (Projektnummer: 853343) des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit) im Zeitraum von Mai 2016 bis April 2019 gefördert wird. Weiterführende Information zu IKT der Zukunft findet sich unter www.bmvit.gv.at/ikt.

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