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Operational Excellence

So funktioniert Operational Excellence – Methoden zur Prozessoptimierung Teil 1

13.09.2007 | Autor / Redakteur: Dr. Norbert Kuschnerus / Dr. Jörg Kempf

Abb. 1: Gute Unterstützung beim Thema Operational Excellence: Die Six-Sigma-Methode im Performance Monitoring (alle Bilder: Bayer Technology Services)
Abb. 1: Gute Unterstützung beim Thema Operational Excellence: Die Six-Sigma-Methode im Performance Monitoring (alle Bilder: Bayer Technology Services)

Operational Excellence steht ganz oben auf der Agenda vieler Unternehmen. Mit der Optimierung der betrieblichen Prozesse entstehen neue Herausforderungen, aber auch neue Chancen.

Der globale Wettbewerb steht erst am Anfang und man kann sich heute noch nicht vorstellen, welche Schärfe er gewinnen wird. Auf dem letzten VDE-Kongress hatte EU-Kommissar Günter Verheugen allen teilnehmenden Ingenieuren deutlich gemacht, worauf es ankommt: Es gelte, diesen Wettbewerb so annehmen, dass die in 2000 Jahren erarbeiteten Werte erhalten bleiben. Das heißt auch, dass man nicht mit billiger Arbeit konkurrieren könne, da wir unseren Lebensstandard erhalten wollen. Um die Produktion in Europa zu halten, ist es daher dringend nötig, mit innovativen und intelligenten Methoden wettbewerbsfähige Produktionsprozesse zu schaffen.

Dies war ohne Frage eine direkte Aufforderung an die Ingenieure, das Heft in die Hand zu nehmen. Denn betrachtet man die reinen Produktionsprozesse, so spielen zumindest für die Prozessindustrie in fast allen Fällen die Personalkosten eine relativ geringe Rolle. Meist betragen sie gerade einmal etwa zehn Prozent der Herstellkosten. Letztere zu reduzieren und die Performance der Produktionsprozesse zu verbessern, genau das ist es, was allgemein unter dem Begriff „Operational Excellence“ zusammengefasst wird. So ist Operational Excellence das „Streben nach Produktion ohne Verluste und Verschwendung“ oder vielleicht noch besser ausgedrückt die „Führung der Produktion am Optimum“.

Den gesamten operativen Prozess verbessern – von der Produktion bis zur Logistik

Prozessmanagement leistet einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch eine deutliche Verbesserung der Prozess-Performance (Anlagennutzung, Ausbeute, Produktqualität, Verfügbarkeit, Sicherheit und Lieferfähigkeit) bei gleichzeitiger Kostensenkung (Energieverbrauch, Rohstoffverbrauch, Lagerbestand, Personal- und Kapitaleinsatz). Bayer Technology Services (BTS) kann mit ihren Process Management Tools den gesamten operativen Prozess verbessern – von der Produktion bis zur Logistik. Aber auch Teilprozesse bestehender Anlagen werden optimiert. Das Potenzial der unter dem Schlagwort OpX durchzuführenden Optimierungen ist groß, und die Erfahrung der Projekte zeigt, dass sich allein mit den Methoden des modernen Process Managements folgende Ergebnisse erzielen lassen:

8% geringerer Energieverbrauch,

10% höherer Durchsatz,

15% weniger Lagerbestände,

70% weniger Kosten für Laboranalytik,

80% kürzere Produktfreigabe,

30% weniger off-spec-Ware,

20% Verkürzung des Anlagen-Start-Up,

5% höhere Anlagenverfügbarkeit,

90% weniger Produktionsplanungs-Warnungen,

10% weniger Batches pro Produktionsauftrag.

Insgesamt können mit einer überschaubaren Investition Einsparungen bis zu zehn Prozent der Herstellkosten mit einem Return on Investment zwischen zwei und 12 Monaten erzielt werden.

Operational Excellence: von drei Säulen getragen

Bereits 2004 machte die ARC deutlich, dass Operational Excellence von drei Säulen getragen wird: „Performance Intelligence“, „Performance Management“ und „Performance Enablement“ [1]. Um dies zu erreichen, verwendet BTS bei OpX-Projekten bevorzugt die auf Six-Sigma beruhende sog. DMAIC-Methode (Define & Measure, Analyze & Improve, Control), deren Anwendung in OpX-Projekten Friedrich bereits 2005 ausführlich beschrieben hat [2]. Er verdeutlichte, dass in der ersten Phase der Potenzialanalyse (Define & Measure) die Ist-Situation der Produktion aufgenommen wird und dabei – orientiert an den wichtigsten Kostenblöcken – die für die Wirtschaftlichkeit der betreffenden Produktion relevanten Key Performance-Indikatoren (KPI) ermittelt und berechnet werden. Nach diesem Meilenstein liegen Inhalt und Umfang des Optimierungsprojektes fest. In der zweiten Phase (Analyze & Improve) erfolgen die Ermittlung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen, die Erstellung eines Maßnahmenkatalogs sowie eines Projekt- und Kostenplans für die letzte Phase der Implementierung. In dieser dritten Phase (Control) ist es für den Erfolg des Gesamtprojekts wichtig, dass die entwickelten Lösungen in die vorhanden Systeme und Arbeitsprozesse eingepasst, die Mitarbeiter frühzeitig einbezogen und geschult und Monitoring- und Kontrollfunktionen implementiert werden. Nur so kann der Erfolg nachhaltig gesichert werden.

Basis Prozessleittechnik

Die Prozessleittechnik ist nach wie vor die Basis für die Prozessoptimierung, allerdings in immer enger werdender Zusammenarbeit mit der Online-Analytik. Beide zusammen entscheiden, welche Information aus dem Prozess gewonnen werden kann, und machen diese auch nutzbar. Mit den Aktoren stellt die Prozessleittechnik die Möglichkeiten, den Prozess zu beeinflussen. Ohne diese Basis ist jede noch so intelligente IT für OpX in Produktionsprozessen völlig nutzlos.

Die neuen technologischen Entwicklungen stellen dabei auch eine Vielzahl neuer Herausforderungen an den Ingenieur. Die Zeiten, in den gerade mal Druck, Temperatur und Durchfluss geregelt wurden, sollten eigentlich schon weit zurück liegen. Heute geht es nicht mehr darum, den Prozess überhaupt zum Laufen zu bringen, sondern die gesamte Performance in den Mittelpunkt zu stellen. Der PLT-Ingenieur muss nicht mehr nur noch das richtige Messprinzip auswählen, sondern unter vielen anderen technischen Parametern auch gemeinsam mit den Kollegen der Advanced Process Control durch dynamische Modellierung den besten Einbauort für die Sensoren ermitteln. Es will doch beispielsweise kein Produzent irgendwelche Temperaturen der Kolonne sehen, sondern die Kolonne am Optimum der Trennleistung und des Energieverbrauchs fahren. Genauso wichtig ist es zu erkennen, wann – wie das Beispiel der Aromatenvordestillation in Abb. 2 zeigt – Temperaturmessungen für die gesamte Prozessführung nicht mehr ausreichend sind. In diesem Fall muss z.B. auf Konzentrationsmessungen zurückgegriffen werden. Auch hier gilt: Der Einbauort ist entscheidend.

Ohne Prozessmodelle geht‘s nicht

Wie in Abb. 3 zu sehen, kommt man in Prozessführungen zur Operational Excellence ohne Prozessmodelle, d.h. ohne hinreichend genaue Abbilder der Produktions- und logistischen Prozesse nicht mehr aus. Diese haben den Zweck, Daten zu Information zu machen, d.h. zu helfen, den Prozess wirklich am Optimum zu führen [3]. Von besonderer Bedeutung ist die Daten-Akquisition, das heißt das kontinuierliche Evaluieren und Interpretieren der Daten. Dabei helfen vielfältige statistische Methoden und der Vergleich mit rigorosen Verfahrensmodellen. Nur mit einer solchen Basis, die nur mit sehr gut ausgebildeten und erfahrenen Ingenieuren geschaffen werden kann, macht Operational Excellence überhaupt Sinn.

Performance Monitoring

Ist dieses erst einmal erreicht, ist man fast am Ziel. Der nahe liegende Schritt ist das Perfomance Monitoring, das BTS zur Optimierung bestehender Prozesse und Anlagen unter dem Markennamen PerMonDo anbietet. Durch die kontinuierliche Überwachung von Prozess- und Anlagenzuständen, die in Key Performance-Indikatoren beschrieben werden, können die Performance der Anlage und des Prozesses erhöht sowie Herstellkosten reduziert werden. Typische Key Perfomance-Indikatoren beziehen sich dabei auf Energieverbrauch (beispielsweise Lösungsmittelkonzentration, spezifischer Dampfverbrauch in einem Prozessschritt), Produktqualität (Konzentration der Komponenten, Verunreinigungen, Restgehalte von Nebenkomponenten), Anlagennutzung (Durchsatz, Ausbeute, Produktwechsel, Umrüstungen) sowie Verfügbarkeit (Ablagerungen, Verstopfungen, Fehlfunktionen, Alarme, Abschaltungen).

Wichtig ist, die Key Performance-Indikatoren stets in Bezug auf den theoretisch möglichen Prozesszustand zu ermitteln, wozu meistens rigorose Modelle des Prozesses erstellt werden müssen. Erst dann hilft das Perfomance Monitoring dem Anlagenfahrer wirklich, den Prozess nahe dem optimalen Zustand zu fahren. Die hohe Kunst besteht darin, ihm auch diese manuelle Arbeit abzunehmen und den Prozess automatisiert nach Key Perfomance-Indikatoren zu führen, was heute vor allem bei komplexen Vorgängen, wie das An- und Abfahren großer Anlagen mit vielen Kreisläufen, noch nicht immer gelingt. Es ist dabei sehr wichtig, sich im Rahmen der DMAIC-Analyse frühzeitig über die Benefits Klarheit zu verschaffen.

Prozessanalysentechnik

Wie beim Performance Monitoring kurz angedeutet hat das Erfassen der Produktqualität in Echtzeit eine fundamentale Bedeutung für die Operational Excellence erlangt. Lag der Schwerpunkt der Prozessanalysentechnik bis in die 90er Jahre hinein noch auf Messungen außerhalb des Produktionsprozesses, nämlich auf dem Schutz der Umwelt und der Gesundheit der Mitarbeiter, so ist mittlerweise als zusätzliches, ebenso wichtiges Arbeitsgebiet die „Quality Based Process Control“, d.h. das Führen des Prozesses direkt nach der Produktqualität als wichtiger Key Perfomance-Indikator hinzu gekommen. Nahezu alle Produktgrößen können mit den flexiblen Online-Prozessanalysensystemen der BTS erfasst werden. Dies sind SpectroBAY, ein Spektrometersystem für Prozessapplikationen in einer NIR- sowie MIR-, UV- und Raman-Version, und der Chromatograph BaychroMAT mit allen Arten der Chromatographie. Alle Systeme sind vollkommen automatisiert und mit allen gängigen Prozessschnittstellen, Überwachungssystem und Fernwartungsmöglichkeit ausgerüstet. Über die speziell entwickelte Analyzer Results Transfer Software sieht der Anlagenfahrer die Qualitätsdaten auf dem Prozessleitsystem so, wie er es gewohnt ist – nämlich jede Komponenten als „PLT-Stelle“.

Innovative Produkte der online-Bioanalytik

Innovative Produkte der online-Bioanalytik sind der BaychroMAT Bio HPLC sowie der BaychroMAT CellCount. Damit wird schon während der Produktion die vollautomatisierte Steuerung von Fermentationsprozessen über die Zellzahl und Proteinkonzentration möglich. Diese Prozessgeräte beinhalten ein neu konstruiertes, mit Dampf sterilisierbares Probenahmeventil, kombiniert mit bewährten Automationskomponenten.

Das bis hier Geschilderte ist gleichermaßen wichtig für Konti- und für Batchanlagen. Gleichwohl sind bisher die meisten Anwendungen in Konti-Anlagen erfolgt, da diese vor allem bezüglich Energie- und Rohstoffkosten unter Wettbewerbsdruck stehen. In Batch-Anlagen kommt ein dritter Kostenfaktor deutlich stärker zu tragen als bei Konti-Anlagen: die Anlagennutzung. Hier kommen Manufacturing Execution Systems (MES) ins Spiel. Welche Rolle diese für die Operational Excellence spielen, sowie das Thema Supply Chain Optimization behandelt der zweite Teil dieses Beitrages.

Literatur

[1] ARC Insight 2004-48 MHLP, Tom Fiske, Dave Woll: „Improving Business Performance by Unifiying Operations

[2] Martin Friedrich, Optimierung der Produktion – Methoden, Werkzeuge und Vorgehensweisen zur Erschließung versteckter Effizienzreserven, atp 2005, Heft 4

[3] J. Bausa, G. Dünnebier, Durchgängiger Einsatz von Modellen in der Prozessführung, Chemie Ingenieur Technik, 2005, Heft 77

Der Autor leitet den Bereich Process Management Technology innerhalb Bayer Technology Services, Leverkusen.

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