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Dezentrale, automatisierte und energieflexible Steuerung der Produktion
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Weckmann, Sebastian; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)
In der Industrie gewinnt die Frage nach einer sicheren, kostengünstigen und qualitativ hochwertigen Energieversorgung zunehmend an Bedeutung, insbesondere vor dem Hintergrund steigender und volatiler Energiepreise sowie einer zunehmend schwankenden Bereitstellung von Energie. Vor diesem Hintergrund greift die vorliegende Arbeit die Frage auf, wie ein Produktionssystem dezentral, autonom und energieflexibel gesteuert werden kann mit dem Ziel, die Energie- und damit auch die Produktionskosten nachhaltig zu senken. Dabei soll die Auslastung des Produktionssystems und die Termintreue der Aufträge nicht (negativ) beeinflusst werden. Im Fokus der Arbeit stehen die Produktionssteuerung und die damit verbundenen wertschöpfenden Maschinen und Anlagen sowie die bestehende energetische Infrastruktur des Produktionssystems. Die Ergebnisse der Arbeit sind ein neuartiges Steuerungssystem und effiziente Regelalgorithmen, die es erlauben, das Produktionssystem energetisch zu optimieren und damit das Produktionssystem robust, zukunftsorientiert und nachhaltig zu betreiben. Im Rahmen von zwei untersuchten Praxisbeispielen wurden Energiekosteneinsparungen erzielt, ohne die Auslastung der Produktionssysteme oder die Termintreue der Aufträge (negativ) zu beeinflussen. Dabei zeigt sich jedoch auch, dass die kostenbezogene Transformation der prozentualen Einsparungen vom jeweilig aktuellen Energiepreishebel abhängen. Der dezentrale und anreizbasierte Charakter der Steuerung und Regelung ermöglicht es, ein selbstoptimierendes Ökosystem zu schaffen, das keine harten externen Regelungseingriffe benötigt. Damit wird ein integriertes Energie- und Produktionssystem geschaffen, das kostengünstig, robust, hochdynamisch, flexibel und nachhaltig ist.
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Gestaltung betrieblicher Umweltinformationssysteme
(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Waltersmann, Lara; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)
Aufgrund diverser ökologischer Krisen, wie Klimawandel und Biodiversitätsverlust, und des damit verbundenen gesellschaftlichen und regulatorischen Drucks hin zu einem ökologischen Wirtschaften wird das Umweltmanagement und -controlling für Unternehmen immer wichtiger und zunehmend zum entscheidenden Wettbewerbsfaktor. Mit seinen Funktionen zur Information, Planung und Kontrolle, Koordination und Rationalitätssicherung bildet das Umweltcontrolling die Grundlage für die Erfüllung der Anforderungen an die Transparenz und die Verbesserung der ökologischen Leistung von Unternehmen. Durch die steigenden Informationsbedarfe der Stakeholder wird es jedoch zunehmend komplex, wobei Informationssysteme dabei helfen können, diese Komplexität zu beherrschen. Vor dem Hintergrund der steigenden Anforderungen an das Umweltcontrolling und der benötigten informationstechnischen Unterstützung adressiert die vorliegende Arbeit die Forschungsfrage, wie ein betriebliches Umweltinformationssystem unternehmensspezifisch gestaltet werden kann. Ergebnis der Arbeit ist eine Methode zur Gestaltung eines betrieblichen Umweltinformationssystems, die sich an den Phasen des User Centered Design orientiert sowie ein Referenzdatenmodell und -architektur beinhaltet. Durch diese Methode werden unter anderem erstmals unternehmensindividuelle Parameter bei der Gestaltung detailliert berücksichtigt und eine Vollständigkeit der Umweltdaten und -informationen sichergestellt. Unternehmen werden hiermit befähigt ein Informationssystem zu konzipieren, welches alle relevanten Daten für das Umweltcontrolling erfasst, verarbeitet sowie den entsprechenden Personen in geeigneter Form zugänglich macht. Es wird außerdem eine Auswahl und Integration eines Informationssystems in die bestehende Informationssystemarchitektur eines Unternehmens ermöglicht. Anhand von zwei Fallbeispielen mit produzierenden Unternehmen konnte gezeigt werden, dass die Methode in der Praxis anwendbar und für die Gestaltung eines betrieblichen Umweltinformationssystems gut geeignet ist.
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Gestaltung eines auf dem föderierten Lernen basierenden Systems zur energetischen Anomalieerkennung in Produktionsprozessen
(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Kaymakci, Can; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)
Um die nationalen Effizienzziele zu erreichen, ist es unerlässlich, Energie und Material einzusparen. Die frühzeitige Erkennung von energetischen Anomalien in Produktionsprozessen kann hier mit Modellen aus dem Bereich des maschinellen Lernens erfolgen. Für das Training der Modelle werden von Anwendern von Maschinen und Anlagen innerhalb der Produktionsprozesse erfasste Daten benötigt, die viele Anwender in der Praxis nicht freigeben. Daher ist ein umfassendes Training und ein erfolgreiches Erkennen von Unregelmäßigkeiten aus der Perspektive des Maschinen- und Anlagenbauers nicht möglich. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein auf dem föderierten Lernen basierendes System zur Erkennung von energetischen Anomalien in Produktionsprozessen zu entwickeln. Dieses System soll Produktionsunternehmen in die Lage versetzen energetische Anomalien zu erkennen, ohne dabei sensible Maschinen- und Betriebsdaten weiterzugeben. Daher adressiert diese Arbeit die Forschungsfrage, wie ein auf dem föderierten Lernen basierendes System zur energetischen Anomalieerkennung in Produktionsprozessen ausgelegt werden kann. Hierzu wird eine Architektur und eine Methode entwickelt, die sowohl die Identifikation der Datenverarbeitung, die Modellarchitektur als auch die Optimierung der Konfigurationsparameter des Systems umfasst. Die in der Arbeit definierten funktionalen Komponenten der Architektur können mit der Methode hergeleitet und instanziiert werden. Der vorgestellte Ansatz wird anhand zweier Anwendungsfälle validiert. Der erste Anwendungsfall befasst sich mit der Erkennung von Bedienfehlern beim Lichtbogenschweißen. Der zweite Anwendungsfall konzentriert sich auf die Erkennung von Druckluftleckagen, welche erhebliche Energieverluste verursachen können. In beiden Anwendungsfällen zeigt sich, dass eine Nutzung des auf dem föderierten Lernen basierenden Systems zur energetischen Anomalieerkennung eine Erkennung von Unregelmäßigkeiten in Produktionsprozessen ermöglicht, ohne dass sensible Maschinen- und Betriebsdaten zentral gespeichert werden.
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Methode zur Gestaltung der energetischen Wandlungsfähigkeit in Fabriken
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Kuhlmann, Timm; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)
Die Energiewende sowie die turbulenten Entwicklungen im Technologiesektor beeinflussen zunehmend das Energiesystem der Fabrik. Die kurzen Entscheidungszyklen der Politik sowie die schnellen Entwicklungszyklen von Technologien fordern von dem Energiesystem eine entsprechende Wandlungsfähigkeit, damit die Fabrik in Zukunft in dem Bereich der Energie wirtschaftlich betrieben werden kann. Diese Ausgangssituation führt zu der Forschungsfrage, wie ein wandlungsfähiges Energieversorgungssystem in Fabriken gestaltet werden kann. Eine Antwort auf diese Frage bietet die Methode zur Gestaltung energetisch wandlungsfähiger Energieversorgungssysteme in Fabriken. Die Methode beruht auf den Grundkonzepten der Wandlungsfähigkeit von Fabriken und überträgt diese Ansätze auf das Energieversorgungssystem. Fokussiert werden die Wirkzusammenhänge zwischen der Energieversorgung und der eingesetzten Produktionstechnik im Zusammenspiel mit Wandlungstreibern und wandlungsbefähigenden Handlungsoptionen. Die Methode gliedert sich in fünf Schritte. Im ersten Schritt werden die Wandlungstreiber analysiert. Diese Analyse umfasst die Charakterisierung und Bewertung der Wandlungstreiber aus der individuellen Fabriksicht. Im darauffolgenden Schritt werden wandlungsbefähigende Handlungsoptionen abgeleitet. Diese Handlungsoptionen werden allgemein formuliert und anhand der Kriterien für Wandlungsfähigkeit bewertet. Durch die Gegenüberstellung von individuellen Wandlungstreibereinschätzungen und möglichen wandlungsbefähigenden Handlungsoptionen entsteht ein Maßnahmenbündel aus Unternehmensperspektive. Der dritte Schritt der Methode umfasst die Modellerstellung. Es wird ein agentenbasierter Modellierungsansatz entwickelt, der es erlaubt, das Energiesystem generisch abzubilden. Individuelle, spezielle Steuerungsalgorithmen, beispielsweise zur Speichersteuerung, können bei Bedarf ergänzt werden. Mit Hilfe der Monte-Carlo-Simulation werden im vierten Schritt die Bewertungsgrößen in Abhängigkeit von Wandlungstreibern und wandlungsbefähigenden Handlungsoptionen unter Berücksichtigung von Unsicherheiten ermittelt. Die anschließende Regressionsanalyse erlaubt die Untersuchung der Vorteilhaftigkeit einer wandlungsbefähigenden Handlungsoption. Daraus lassen sich im letzten Schritt der Methode Schlüsse ziehen, zu welchem Zeitpunkt in welchem Umfang wandlungsbefähigende Handlungsoptionen einzusetzen sind.
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Simulation-based assessment of energy use in factories
(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Weeber, Max; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)
The increasing awareness of the limited resources of our planet is demanding that industrial companies improve the sustainability of their business strategies and urging decision-makers to adopt environmentally friendly manufacturing practices. In this respect, identifying ways to improve energy use in factories is subject to ongoing research. Recently, factory simulation models have been proposed to better understand the interdependencies of energy use in the different peripheries of a factory system. However, the complexity of the proposed factory simulation models and their inability to jointly evaluate multiple energy-related performance metrics have limited their application in practice. This work extends the scope of existing factory simulation models with a particular focus on on-site energy supply systems and extends conventional energy performance metrics to include non-energy benefits. It also improves upon the prevailing trial-and-error approaches currently used to evaluate improvement measures within these models. The findings show that an assessment procedure that combines a multi-peripheral factory model with a comprehensive evaluation process using design of simulation experiments can improve both the comprehensiveness and generalizability of the obtained simulation results. The results show that by applying the proposed methodology, combined energy-saving potentials of 38% can be achieved for the factory building and its technical building systems. At the same time, the non-energy benefits in terms of improved occupational safety can be increased by 40%. Starting from this baseline, further improvements are possible with regard to the energy supply system setup. Using the proposed evaluation process, it is possible to further improve various energy performance metrics of the factory, including energy costs (-10%), energy demand (-7%), and CO2 emissions (-11%). In addition, the share of renewables on the energy supplied was increased by 16% and energy flexibility by 31%. The results of this work should promote the understanding of the complex interdependencies of energy use in factories and advance the transition of the corresponding factory simulation models and related evaluation processes into planning practice.
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Verfügbarkeit eines Produktionssystems in Abhängigkeit der eingesetzten Instandhaltungsressourcen
(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2025) Sielaff, Lennard; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)
Der Zielkonflikt der Instandhaltung, die Verfügbarkeit eines Produktionssystems bei gleichzeitiger Minimierung der dafür notwendigen Ressourcen sicherzustellen, wird immer komplexer. Eine Herausforderung besteht darin, dass die Systemverfügbarkeit nicht direkt mit den eingesetzten Ressourcen korreliert. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung einer Methode, mit der die Verfügbarkeit eines Produktionssystems in Abhängigkeit von den eingesetzten Instandhaltungsressourcen bewertet werden kann. Die Methode besteht aus neun Schritten, die in vier Phasen unterteilt sind: Initialisierung, Objektbeschreibung, Strategieverdichtung und Bewertung. In der Initialisierungsphase werden zunächst die Rahmenbedingungen erfasst sowie das Produktionssystem und seine Objekte definiert und klassifiziert. In der Phase der Objektbeschreibung werden für jedes der instandhaltungsrelevanten Objekte mögliche Instandhaltungsstrategien definiert sowie die zugehörigen Ausfallwahrscheinlichkeiten und benötigten Ressourcen erfasst. Sind alle Informationen zu den Objekten erfasst, werden in der Phase Strategieverdichtung zunächst die Komponentenstrategien auf Anlagenebene integriert, um mögliche Instandhaltungsstrategien für die Anlagen zu definieren. Anschließend werden die Anlagenstrategien auf Produktionssystemebene kombiniert, um verschiedene Kombinationen bewerten zu können. In der letzten Phase werden die Strategiekombinationen hinsichtlich der Anlagenverfügbarkeit und der benötigten Instandhaltungsressourcen bewertet und die Ergebnisse dargestellt. Die entwickelte Methode wurde in einer Getriebe- und einer Batterieproduktion validiert. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Methode der Zusammenhang zwischen Anlagenverfügbarkeit und eingesetzten Instandhaltungsressourcen erarbeitet werden kann und somit den Instandhaltungsverantwortlichen erstmals eine Lösung für diese Herausforderung angeboten werden kann.