Model predictive control strategy to coordinate production planning and building automation

• Modellprädikative Regelung zur Koordination von Produktionsplanung und Gebäudeautomation

Zhou, Beiyan; Schmitt, Robert H. (Thesis advisor); Boos, Wolfgang (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 4/2022
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Der nachhaltige Umgang mit Energie ist in Deutschland seit Jahren eine zentrale Herausforderung, da das Angebot begrenzt ist und die Nachfrage stetig steigt. Dafür werden große Anstrengungen unternommen, um die Energieeffizienz in der Industrie, insbesondere in der Fertigung, zu verbessern. Bei der energetischen Betrachtung eines Produktionsbetriebes gibt es zwei große Energieverbraucherskategorien. Die eine ist die Produktionstätigkeit, die verschiedene Ressourcen nutzt, um wertschöpfende Güter und Dienstleistungen zu erstellen. Die andere ist die Gebäudeperipherie, wie Heizung, Lüftung, Klimatisierung sowie Beleuchtung, um eine geeignete Arbeitsumgebung für die Produktionstätigkeit bereitzustellen. Für eine Energieübersicht ist es sinnvoll, Energiesparpotenziale zu erreichen, indem man diese beiden Verbraucherkategorien als Ganzes betrachtet, da sie naturgemäß zusammengehören. Dies spiegelt jedoch nicht die Realität wider. Die Produktionsplanung, die alle Produktionsaktivitäten plant und koordiniert, wird bisher völlig isoliert von der Gebäudeautomation betrachtet, die für die Steuerung der Peripherieanlagen zuständig ist. Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieser Arbeit, eine ganzheitliche modellprädiktive Regelungsstrategie zu entwickeln, die durch die Koordination von Produktionsaktivitäten und Peripherieanlagen eine weitere Verbesserung der Energieeffizienz erreicht. Dazu wird zunächst ein Streckenmodell entwickelt, das die energetische Wechselwirkung zwischen Produktion und Peripherie beschreibt. In einem zweiten Schritt wird eine multikriterielle Kostenfunktion ermittelt, um klassische Produktionsziele und Energieeffizienz in Einklang zu bringen. Durch die Überführung der zusammenhängenden Systemgrenzen von Produktion und Peripherie in Beschränkungen wird die modellprädiktive Regelungsstrategie geschaffen. Das Streckenmodell kann den Gesamtenergieverbrauch und die Innentemperatur basierend auf der Zuordnung von Produktions- und Peripherieressourcen vorhersagen. Der Regler berechnet die Ressourcenzuweisung unter Einhaltung der Nebenbedingungen automatisch so, dass sie mit der definierten Kostenfunktion übereinstimmt. Der Bewertungsansatz der Dissertation ist in einem Simulationswerkzeug in der MATLAB/Simulink-Umgebung implementiert. Das Zielobjekt ist ein kleiner Werkzeughersteller. Die Vorhersagegenauigkeit des entwickelten Anlagenmodells wird durch den Vergleich der simulierten und gemessenen Ergebnisse validiert. Anschließend wird durch eine intensive Verifikation verschiedener Produktionsszenarien gezeigt, dass die entwickelte Regelungsstrategie eine automatische Ressourcenallokation sowohl in der Produktion als auch in der Peripherie durchführt und dabei eine weitere Verbesserung der Energieeffizienz realisiert.