Batch scheduling in process industries: an application of resource–constrained project scheduling

Abstract.

The paper deals with batch scheduling problems in process industries where final products arise from several successive chemical or physical transformations of raw materials using multi–purpose equipment. In batch production mode, the total requirements of intermediate and final products are partitioned into batches. The production start of a batch at a given level requires the availability of all input products. We consider the problem of scheduling the production of given batches such that the makespan is minimized. Constraints like minimum and maximum time lags between successive production levels, sequence–dependent facility setup times, finite intermediate storages, production breaks, and time–varying manpower contribute to the complexity of this problem. We propose a new solution approach using models and methods of resource–constrained project scheduling, which (approximately) solves problems of industrial size within a reasonable amount of time.

Zusammenfassung.

Die Arbeit behandelt Batch–Scheduling–Probleme in der Prozeßindustrie. In mehreren aufeinanderfolgenden chemischen oder physikalischen Transformationsschritten werden aus Rohstoffen auf Mehrzweckanlagen Endprodukte hergestellt. Wird die Anlage im Batch–Modus betrieben, so werden die Gesamtbedarfe an Zwischen- und Endprodukten in Chargen unterteilt. Der Produktionsbeginn einer Charge auf einer Stufe erfordert die Verfügbarkeit aller Eingangsstoffe. Wir betrachten das Problem der Ablaufplanung für die Chargenproduktion mit dem Ziel der Zykluszeitminimierung. Nebenbedingungen wie zeitliche Mindest- und Höchstabstände zwischen aufeinanderfolgenden Produktionsstufen, reihenfolgeabhängige Umrüstzeiten von Betriebsmitteln, kapazitiv begrenzte Zwischenlager, Produktionspausen und die zeitlich schwankende Personalverfügbarkeit tragen zur Komplexität dieses Problems bei. Wir schlagen einen neuen Lösungsansatz auf der Grundlage von Modellen und Methoden der ressourcenbeschränkten Projektplanung vor, mit dessen Hilfe Probleminstanzen industrieller Größe in angemessener Rechenzeit näherungsweise gelöst werden können.