Efficient scheduling of batch processes in continuous processing lines

Zusammenfassung

Esta tesis se enfoca, principalmente, en el desarrollo de formulaciones eficientes para la programación de las tareas de procesamiento en entornos industriales. Así mismo, se busca la integración de la toma de decisiones más relacionadas con el control avanzado de los procesos o con la planificación de la producción; de esta manera, la programación obtenida será más eficiente de lo que sería si no se tuvieran en cuenta las restricciones adicionales. Las metodologías diseñadas enfatizan la resolución rápida de los problemas, dada su prevista implementación en plantas reales. Se tratan los problemas de programación de tareas más comunes en las industrias: la asignación de tareas a unidades, la distribución de la producción entre equipos paralelos y el reparto de recursos compartidos entre procesos concurrentes, principalmente. Los avances obtenidos durante el desarrollo de esta tesis son fruto de trabajo colaborativo, y no deberían entenderse como un mérito individual del autor. Se presentan dos casos de estudio industriales donde implementar las metodologías para comprobar su efectividad: el primero consiste en la optimización del uso de recursos en una red de evaporadores industriales donde se reparte la carga de trabajo entre plantas de evaporación paralelas; y el segundo consiste en la organización óptima de procesos de esterilizado que comparten un recurso necesario durante el procesamiento. En el caso de la red de evaporadores, estos son modelados siguiente una metodología de obtención de modelos grises usando datos reales de planta y reconciliación de datos. Aunque la planta trabaja en estado estacionario, se incluye la degradación de los equipos con el uso que conlleva una dinámica. Esta reducción en la eficiencia de los equipos se añade al problema de optimización del punto de trabajo. Cuando la degradación es excesiva se requiere la realización de tareas de mantenimiento para recuperar eficiencia (distintas tareas de limpieza). En un segundo punto se realiza la optimización de la programación de estas tareas de limpieza, donde se debe decidir el momento de realizarlas y el tipo de las mismas. Con el trabajo de una planta de evaporación optimizado, se plantea el problema de la organización de toda la sección de evaporación, donde se debe asignar la carga a cada planta de evaporación con respecto al tipo de producto y la cantidad de flujo. Cada planta de evaporación tiene una eficiencia diferente, y no todas las asignaciones producto-equipo se pueden realizar. Además, se mantiene el problema de la degradación en los equipos, con lo que la organización de las tareas de limpieza también debe realizarse, lo que incluye la selección del tipo de limpieza y la organización temporal de las mismas. Se debe tener en cuenta que la productividad de la sección no se debe ver afectada cuando una planta está siendo sometida a tareas de mantenimiento, por lo que su carga de trabajo se debe repartir entre el resto de unidades de evaporación accesibles. El problema se plantea usando programación matemática como un problema de programación mixta-entera lineal, lo que nos permite obtener soluciones óptimas en un tiempo razonable. Así mismo, existen factores que pueden afectar la productividad de las unidades, como la temperatura exterior o las cargas de trabajo planificadas por los departamentos de gerencia. Estos factores externos presentan incertidumbre en cuanto a sus valores que se incorpora en el problema de programación usando una técnica común en el control, pero no aplicada en la programación, como es el enfoque estocástico en dos etapas, que permite afrontar problemas de incertidumbre de una manera menos conservadora que el enfoque robusto clásico. Por último, esta tesis se enfrenta al problema de organizar líneas de producción continua y líneas de procesado discreto o por lotes que comparten ciertos recursos. Primero se ha resuelto el problema del loteo de los productos y la subsecuente programación de las tareas de producción para minimizar el tiempo de fabricación global. Después, se han incorporado las restricciones en cuanto al uso de recursos. Se han desarrollado dos formulaciones para enfrentarse a este tipo de problemas. En la primera opción, la disponibilidad de recurso es limitada, por lo que la sincronización de los arranques de las unidades debe respectar restricciones globales de consumo. Se modela el consumo de los equipos durante su tiempo de proceso y se añaden restricciones globales a dicho consumo para evitar que se supere un límite máximo fijado por la arquitectura de la planta. En el segundo caso, en lugar de añadir una restricción en el consumo, se tiene en cuenta que si varios procesos se ejecutan de manera concurrente consumiendo el mismo recurso, la duración de ambos se verá afectada. En este caso, la duración de los procesos es la que debe modelarse para incluirse en el problema de programación de tareas. En ambas opciones se ha desarrollado una herramienta con un enfoque en lazo cerrado, similar al que se emplea en las técnicas de control avanzado, que permite reaccionar ante desviaciones frente a la planificación y reduce los tiempos de resolución, permitiendo la implementación en las plantas buscada.