Simplified Implementation of Energy-Aware Production Scheduling in Job Shops

Climate change presents a pressing global challenge, necessitating urgent actions to reduce greenhouse gas emissions and limit global warming. As a significant energy consumer, the industrial sector plays a crucial role in advancing sustainable practices and mitigating the impact of climate change. In this context, this thesis focuses on developing an implementation procedure and an energy-aware production scheduling system architecture to optimize production schedules while considering production-related and energy-related objectives.

The research goal of this thesis is to simplify the implementation of energy-aware production scheduling systems in real production systems. To achieve this, the thesis addresses three key research areas: (1) to find whether the absence of standardized procedures and architectures hinders the implementation of energy-aware production scheduling systems for job shops, (2) to propose a standardized and partially automated implementation procedure for energy-aware production scheduling, and (3) to design an architecture supporting the implementation procedure.

The proposed implementation procedure includes a structured system configuration and deployment approach, ensuring alignment with stakeholder requirements. It comprises three phases: discovery and planning, development and configuration, and testing and deployment. The energy-aware production scheduling system architecture implements a cyber-physical production system with a virtual representation of the actual production system. The architecture incorporates the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II optimization algorithm with a graph-based solution encoding and the production system environment, which adapts to specific production system requirements. An energy model parameter estimation module supports the automatic configuration of production machine energy models.

Evaluation of the proposed concepts in the ETA Research Factory demonstrates the system’s success in reducing energy consumption while maintaining production-related objectives. The energy-aware production scheduling system achieves average energy cost savings of 13 % and 18 % compared to traditional Shortest Processing Time dispatching rules while slightly improving or marginally decreasing production-related performance, respectively.

This thesis contributes to the field of energy-aware production scheduling by providing an implementation procedure and an adaptable architecture that fulfills the set requirements and success criteria. The proposed concepts offer practical solutions for adopting energy-aware production scheduling systems in industrial settings, promoting environmentally conscious and economically viable production practices. The thesis also identifies areas for improvement and future research, ensuring the continuous development of energy-efficient and sustainable manufacturing processes.

Der Klimawandel stellt eine globale Herausforderung dar, die dringende Maßnahmen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen und zur Begrenzung der globalen Erwärmung erforderlich macht. Der Industriesektor spielt als bedeutender Energieverbraucher eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung einer nachhaltigen Wirtschaft und der Minimierung der Auswirkungen des Klimawandels. In diesem Zusammenhang konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung eines Implementierungsverfahrens und einer Systemarchitektur für die energiebewusste Produktionsplanung unter Berücksichtigung von produktions- und energiebezogenen Zielfunktionen.

Das Forschungsziel dieser Arbeit ist, die Implementierung von energiebewussten Produktionsplanungssystemen in realen Produktionssystemen zu vereinfachen. Die Arbeit befasst sich mit drei Forschungsschwerpunkten, um (1) herauszufinden, ob das Fehlen standardisierter Verfahren und Architekturen die Implementierung energiebewusster Produktionsplanungssysteme in der Werkstattfertigung behindert, (2) ein standardisiertes und teilweise automatisiertes Implementierungsverfahren für die energiebewusste Produktionsplanung vorzuschlagen und (3) eine Systemarchitektur zu entwerfen, die das Implementierungsverfahren unterstützt.

Das vorgeschlagene Implementierungsverfahren stellt einen strukturierten Ansatz für die Konfiguration und -einführung eines Produktionsplanungssystems bereit, der eine Anpassung an die Anforderungen der Beteiligten gewährleistet. Das Verfahren besteht aus drei Phasen: Untersuchung und Planung, Entwicklung und Konfiguration sowie Test und Umsetzung. Die Architektur des energiebewussten Produktionsplanungssystems ermöglicht es, reale Produktionssysteme als cyber-physisches Produktionssystem abzubilden. Für die Optimierung nutzt das Produktionsplanungssystem den Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II-Optimierungsalgorithmus mit einer graphenbasierten Codierung für die Lösungen. Die Produktionssystemumgebung, als zweiter Bestandteil der Architektur kann an die spezifischen Anforderungen des Produktionssystems angepasst werden. Weiterhin umfasst die Systemarchitektur ein Modul, das eine automatisierte Parameteridentifikation für Energiemodelle von Produktionsmaschinen ermöglicht.

Die Bewertung der vorgeschlagenen Konzepte in der ETA-Forschungsfabrik zeigt, dass das System die Energiekosten der Produktion unter Beibehaltung produktionsbezogener Ziele senken kann. Das Produktionsplanungssystem erzielt in den durchgeführten Experimenten durchschnittliche Kosteneinsparungen von 13 % beziehungsweise 18 % im Vergleich zur Shortest Processing Time Zuordnungsregel, während die produktionsbezogene Zielfunktion leicht verbessert oder geringfügig verschlechtert wird.

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Forschung im Bereich der energiebewussten Produktionsplanung, indem sie ein Implementierungsverfahren und eine anpassungsfähige Systemarchitektur bereitstellt, die die festgelegten Anforderungen und Erfolgskriterien erfüllt. Die vorgeschlagenen Konzepte bieten Lösungen für die Einführung energiebewusster Produktionsplanungssysteme in der Industrie und fördern umweltbewusste und wirtschaftlich tragfähige Produktionsverfahren. Außerdem zeigt diese Arbeit Bereiche für zukünftige Forschung auf, um die Weiterentwicklung der energiebewussten Produktionsplanung voranzutreiben.