gesponsertProduktionssimulation für Anlagenplanung & Betrieb Auf dem Weg zum robusten Produktionsprozess

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ZETA GmbH

Auf dem Weg zum effizienten und robusten Herstellungsprozess stellen sich Fragen nach erreichbaren Produktionskapazitäten, Auslastungen von Anlagen und möglichen Optimierungen, die durch eine holistische Sichtweise auf die gesamte Produktion beantwortet werden können.

Die Simulation des Produktionsprozesses

Eine Produktionssimulation ist eine ereignisorientierte Materialflusssimulation. Das heißt, Materialflüsse, Massenbilanzen, Ressourcenauslastungen, Kapazitäten und zeitliche Abläufe im Betrieb von Produktionsanlagen werden darin abgebildet. Dabei gilt es, geeignete Annahmen zu treffen und spezifische Fragestellungen zu erarbeiten.

Anwendungsbereiche für Produktionssimulationen

Während der Prozessplanung sind Produktionssimulationen ein Werkzeug, um Fragen in Bezug auf Equipmentbelegungen, Rüstzeiten, Schichtpläne und zeitliche Medienverbräuche zu klären, sowie theoretische Prozesskapazitäten zu ermitteln. Im Rahmen der Anlagenentwicklung unterstützt die Simulation bei der Dimensionierung des Prozessequipments und der Rohrleitungen.

Die Inosim Software wird von Zeta in allen Phasen des Projektes herangezogen und entwickelt sich in dessen Verlauf von einem wertvollen Engineering-Tool zu einem umfangreichen Werkzeug zur Produktionsplanung. Projektbegleitend wird - von ersten Abschätzungen bis hin zur minutengenauen Auflösung der Produktion - ein virtuelles Abbild der Produktionsvorgänge geschaffen - ein digitaler Zwilling. Lagerkapazitäten, Personalbedarf und mögliche Schichtpläne sind somit lange vor der Inbetriebnahme bekannt. Dazu kommt, dass durch den virtuellen Betrieb der Produktion schon sehr früh die Herausforderungen in Bezug auf die Automation sichtbar werden. Einer effizienten Planung der Produktion wird dadurch der Weg geebnet.

"Bereits eine geringe Anzahl individuell simpler Einzelteile kann in Kombination ein komplexes Systemverhalten zur Folge haben“, erklärt Roland Maichin, Corporate Head of Project Development bei Zeta, und betont die Vorteile, die die Anwendung der Simulation im Engineering bietet: „Eine intuitive Abschätzung von Potentialen, Bottlenecks, sowie benötigter Kapazitäten von Hilfsstoffen und Ressourcen ist nur mit großer Unsicherheit möglich. Die Prozesssimulation bietet die Möglichkeit zielgerichteter zu entwickeln und bereits in einem frühen Stadium der Anlagenplanung spätere Herausforderungen im Betrieb zu erkennen.“

Weiters dienen Produktionssimulationen zur Optimierung des Betriebs bestehender Anlagen, mit vielfältigen Zielen, wie etwa Steigerung der Produktivität, Verbesserung der Robustheit und Erhöhung der Auslastung. Dazu wird zunächst der Ist-Stand der Produktion abgebildet, wobei relevante Einflussgrößen parametrisierbar bleiben, um Flexibilität zu gewährleisten. Mithilfe von verschiedensten Methoden aus der Empirik, Mathematik und Stochastik kann das Verhalten der Produktion dann in verschiedenen Szenarien getestet und bewertet werden. Daraus lassen sich für den Betreiber optimale Betriebsweisen identifizieren. Übliche Szenarien umfassen beispielsweise: Start-up-Szenarien, Shut-Down-Szenarien, Produktänderungen, oder auch fehlgeschlagene Puffervorbereitungen. Günstige Zeitfenster für Maintenance sind immer von sehr großem Interesse. Hier fließt auch die Personalplanung mit ein, mit der zentralen Frage wie viel Personal für welche Tätigkeit zur Verfügung steht.

Modularer Aufbau der Simulation

Die Simulationsarchitektur ist in Schichten („Layern“) aufgebaut, in deren Kern der Hauptprozess liegt (siehe Abbildung 2). Aus der Simulation dieses Kernprozesses – unabhängig von jeglichen Beschränkungen seitens des Equipments der Anlage - werden die theoretische Prozesskapazität abgeleitet und die kritischen Prozessschritte identifiziert. Für jeden Layer können Fragen in Bezug auf Durchführbarkeit, Kapazitäten, Batchgrößen, Robustheit und Flexibilität für Adaptionen und Optimierungen geklärt werden. Dass all diese Fragen auch in Bezug auf Produktwechsel beantwortet werden können, ist nicht zuletzt für die Betreiber von Multipurpose-Anlagen von Vorteil.

Best Practice: Der Anwender profitiert vom Einsatz der Inosim Software

Zeta hat eine Anzahl an Simulationsprojekten erfolgreich realisiert, einige sind derzeit am Laufen oder in Planung. Ein zentraler Pluspunkt der Produktionssimulationen ist, dass damit ein vertieftes Verständnis der Anlage entsteht. Ein Mehrwert, der in der Folge für den Kunden geschaffen wird, äußert sich häufig in signifikanten Betriebs- und Investitionskosteneinsparungen, wie folgende Best-Practice Beispiele verdeutlichen.

CAPEX-Reduktion um über vier Millionen Euro

Eine CAPEX-Reduktion von über vier Millionen Euro wurde bei einem Greenfield-Projekt in Ungarn erzielt. Hier lag der Fokus auf dem bereits vorliegenden Konzeptdesign für eine Multiproduktanlage zur Impfstoffherstellung. Ziel war es, ein bestehendes Konzept zu überprüfen und, bei Bedarf, Anzahl und Größen von Equipment anzupassen, um die vorgegebene Produktionskapazität zu erreichen. Es wurden Kapazitätsgrenzen ermittelt und die Produktionsroutine optimiert. Die Vorgangsweise des Zeta-Teams war, die Produktion sämtlicher 25 Produkte des Auftragsfertigers abzubilden und Szenarien für Equipmentausfälle zu betrachten. Die Herausforderung war hierbei die Variabilität der Produktionsreihenfolge. Die Ergebnisse der Analysen zeigten, dass die geforderte Kapazität mit weniger Equipment als ursprünglich angenommen erreicht werden kann. Durch eine vereinfachte Produktionsstrategie konnten so zwei Behälter und ein CIP-Skid eingespart werden – und das, ohne die Hauptprozesse zu verändern!

Simulationsprojekt spart über fünf Millionen Euro

Zu mehr als fünf Millionen Euro Ersparnis führte ein Simulationsprojekt, bei dem es darum ging, eine neue Produktionslinie in einen bestehenden Standort eines Blutplasma-verarbeitenden Unternehmens zu integrieren. Zeta lieferte das Konzeptdesign und führte zusätzlich Simulationsstudien durch. In der Brownfield-Umgebung war der verfügbare Platz für die Anlage knapp, zudem sollten vorhandene Mediensysteme bestmöglich genutzt werden. Insbesondere in Bezug auf einen bestehenden WFI-Tank stellte sich die Frage, ob dessen Kapazitäten ausreichend seien, um auch die neue Linie versorgen zu können. Initial wurde eine Bottleneck-Analyse durchgeführt. In Folge entwickelte und optimierte Zeta die Konzepte für die Bereitstellung von Puffern, die WFI-Versorgung und die Reinigung (CIP). Durch den integrierten Planungsansatz war es möglich, die neue Produktionslinie trotz räumlicher Limitierungen zu designen. Konkret wurden in diesem Projekt ein Pufferansatzbehälter, ein CIP-Skid und ein WFI-Tank eingespart. Weiters profitierte der Kunde von der Entwicklung einer Strategie zur vereinfachten Handhabung der Pufferlösungen. Der Hauptprozess blieb auch hier unverändert.

Diese erfolgreichen Projekte, die Zeta in enger Kooperation mit dem jeweiligen Kunden durchgeführt hat, zeigen deutlich: Wird der Einsatz von Produktionssimulationen bereits in Engineering-Prozesse integriert, können die Anforderungen der Kunden zu deren größten Zufriedenheit erfüllt werden.

Load-Based Engineering – Die Zukunft nachhaltig gestalten

Wichtige Schwerpunkte legt Zeta auch auf die Reinraum- und Gebäudetechnik. Das Potential, welches in der Produktionssimulation steckt, hat man hier längst erkannt. Hans Eder, Associate Director der Business Line Sustainable Energy Solutions, veranschaulicht seine Vision mit einem Beispiel: „Lüftungsanlagen für Reinräume sind in der Regel in Bezug auf die tatsächliche Belastung mit Partikeln stark überdimensioniert. Das führt naturgemäß zu hohen Energieverbräuchen. Wie viele Partikelemissionen es hingegen tatsächlich gibt, hängt im Wesentlichen von der Anzahl der im Reinraum anwesenden Personen ab. Mit Hilfe von Produktionssimulationen wird dargestellt, wie viel Personal zu den jeweiligen Prozessschritten im Reinraum benötigt wird. Abhängig von der Anzahl der Personen kann das Lüftungssystem nach unten reguliert werden, ohne die kritische Partikelzahl im Reinraum zu überschreiten.“

Online Production Monitoring

Ein vielversprechendes Zukunftsthema ist das Production Monitoring in Echtzeit, bei dem während des Betriebes einer Anlage durchgehend im Hintergrund Simulationen laufen und basierend auf prädiktiven Produktionsdaten Entscheidungen getroffen werden können. Daten aus den IT/OT-Systemen müssen integriert werden, sodass die Simulationssoftware Inosim Foresight darauf zugreifen kann: Echtzeit-Produktionsdaten, Daten aus den jeweiligen Batchsystemen, aus den Prozessleitsystemen oder EMS-Daten. Das bringt Herausforderungen im Bereich der Automationstechnik mit sich, die nur mit Disziplinen-übergreifender Expertise zu bewältigen sind! Bei Zeta ist die enge Verzahnung und Integration von Prozesstechnik, Engineering, Digitalisierung und Automation gelebte Praxis. Gemeinsam mit der Tochterfirma Sigma Process & Automation GmbH hat sich Zeta das Ziel gesetzt, die Potentiale der Produktionssimulation zu entfalten und in Richtung Online Production Monitoring zu treiben.

Klarer Mehrwert durch Produktionssimulation

Ob Produktionssimulationen zur Anlagenentwicklung, Prozessplanung, Optimierung oder Produktionsplanung eingesetzt werden – stets liegen die Vorteile auf der Hand: Komplexe Systeme können wesentlich besser verstanden und verschiedene Szenarien in einer virtuellen Umgebung untersucht werden. Dadurch ist es möglich, faktenbasierte Entscheidungen zu treffen und Risiken zu reduzieren. Zudem wird die Designgenauigkeit verbessert. Aus diesen Vorteilen resultieren deutliche Kostenersparnisse.

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