Ressourcenoptimierung für Fortgeschrittene
Start-Stopp-Automatik für die Fertigung
Der Energie- und Ressourcenverbrauch in der Produktion ist mehr als eine Frage von Gewinn und Ertrag. Auf gesellschaftlichen und per Vergabekriterien erzeugten Druck sorgen Fabrikbetreiber für einen nachhaltigeren Fußabdruck im Werk. Vielerorts sind die Produktionen heute bereits energetisch optimiert. Was ist aber mit der Zeit, in der die Maschine steht?
(Bild: Avanade Deutschland GmbH)
Ein nachvollziehbares Beispiel hinsichtlich Kosten und Technologie ist das Automobil. Stetig arbeitet die Kraftfahrzeugbranche an niedrigeren Verbräuchen und Emissionen. Für die Hersteller bedeutet das niedrigere Ausgaben für Umweltzertifikate, Verbraucher werden ebenfalls finanziell weniger belastet – und möchten überdies wissen, wie viel Kosten sie für Kraftstoff einplanen müssen. Viele inkrementelle Maßnahmen führen hier zu signifikanten Fortschritten. Einer davon ist die ‚Start-Stopp-Automatik‘ mit der viele Neufahrzeuge ausgerüstet sind: Verkürzt ausgedrückt, stellt dieses System den Motor ab, wenn sich die Räder nicht mehr bewegen. Während dieser Zeit wird kein Kraftstoff verbrannt. Ein ähnliches Konzept kann im Bereich der produzierenden Industrie greifen.
In kleinen Schritten denken
Analog zum skizzierten Beispiel, können sich die Verantwortlichen im Unternehmen fragen: Wie lässt sich in der Produktion der ‚Verbrauch auf 100km‘ produzierte Ware aufschlüsseln und optimieren? Ansätze und Möglichkeiten liefern die vielfach verfügbaren Digitalwerkzeuge in den Fabriken meist schon heute. Das Energie- und Ressourcenmanagement könnte künftig eines der wichtigsten Anwendungsgebiete von Fabriksoftware werden.
Produktion anpassen
Nochmal zurück zur Fahrzeug-Analogie: Motoren werden auf ein optimiertes Verhältnis zwischen Verbrauch und Leistung beziehungsweise Geschwindigkeit hin entwickelt. In der klassischen Produktion sind Effizienz, Leistungsfähigkeit und Wirkung die entsprechenden Stellgrößen. Was hier allerdings noch oft fehlt, ist die Anpassung des Energieverbrauchs im Hinblick auf den Betriebszustand. Wenn der Produktionsablauf selbst bereits nach Verbrauch optimiert wurde, bleiben die Leerlaufzeiten als nächster größerer Hebel. Die automatische vollständige Abschaltung eines Motors im Automobil ist eine vergleichsweise einfache Lösung, da sie sich nur auf eine Maschine bezieht. In der Produktion gibt es vergleichbare Kenngrößen: Wie schnell muss die vollständige Betriebsbereitschaft nach einem Neustart wieder erreicht sein? Stimmen Temperaturen, Drehzahlen, Drücke und so weiter?
Leerlauf verursacht Kosten
Maschinen sind jedoch selbst in komplexere Systeme und Prozesse eingebunden – Stillstände und Ausfälle würden zu größeren Folgeerscheinungen führen. Um das Risiko sogenannter Downtimes zu reduzieren, laufen Produktionsanlagen meist ungebremst weiter, gehen allenfalls in einen unoptimierten Ruhezustand, vergleichbar mit der Leerlaufdrehzahl eines Autos. Hier entstehen den meisten Unternehmen vermeidbare Kosten.
Weniger unproduktive Zeiten
Läuft eine Maschine weiter, obwohl sie nichts produziert, verbraucht sie weiter Energie – und unterliegt womöglich sogar unnötigem Verschleiß. Das vollständige Abschalten und Neustarten erfordert ebenfalls Zeit und Energie, insbesondere bei diffizileren Prozessen im Zuge des Wiederhochfahrens. Der nächste Schritt für ein optimiertes Energiemanagement wäre demnach die Optimierung der unproduktiven Zeiten und Vorgänge. Bei den Maschinen sind das alle Verbraucher, die etwa mit Strom, Gas, Wasser und Druckluft zu tun haben. Aber was ist mit den Informationen von Auftragssystem, Schichten und Kapazitäten, geplanter Wartung, Pausen oder Umrüstzeiten? Auch solche Faktoren ließen sich in Bezug auf das Energiemanagement berücksichtigen. Das Ziel muss demnach sein, bei einer Maschine ohne aktiven Produktionsvorgang die Energie teilweise oder ganz zu drosseln. Das kann über Leistung, Druckluft, Temperatur, Verbrauch und so weiter geschehen – per Senkung, Abschaltung oder Neustart, sofern letzteres möglich und sinnvoll ist. Zu beachten sind dabei der energetische und zeitliche Aufwand zur Rückführung in den ursprünglichen operativen Betriebszustand. Um das zu ermitteln, gilt es sowohl die Produktionslinie im Prozess zu analysieren als auch die Produktionsdaten im Blick zu haben. Relevant sind dabei die jeweiligen Aufträge, Schichten, Kapazitäten sowie geplante und ungeplante Stillstände.
Ganze Linien betrachten
Um einen Prozess auszuwerten und komplett zu erfassen, werden Digitaklwerkzeuge gefordert sein. Cloud-Lösungen bieten dabei den Effekt, Daten zentral aus verschiedenen Systemen und Anlagen zusammenführen und auswerten zu können.
Initial zu beachtende Fragestellungen sind hierbei: Wann ist ein geplanter Stopp der Produktion vorgesehen, und welche Maschinen und Systeme sind betroffen? Wo werden aktuell die meisten Ressourcen verbraucht? Welche Auswirkung hätte ein vollständiges Abschalten? Eine maschinengenaue Ermittlung des Energie- oder gesamten Ressourcenverbrauchs ist zwar möglich, erhöht jedoch häufig die Komplexität und den Wartungsaufwand für das Gesamtsystem. Daher könnten Verantwortliche eher den Energieverbrauch pro Produktionslinie in den Blick nehmen.
Digital Twins einsetzen
Wollen Unternehmen in diesem Handlungsfeld starten, können sie zunächst davon ausgehen, dass der Zeitfaktor von Start, Stopp und Bereitschaftslauf die zu ermittelnden Stellgrößen für den Energieverbrauch sind. Denn er fällt in allen Produktionseinheiten an. Hierbei lässt sich kontinuierlich berechnen, welche Geräte abgeschaltet oder in Niedriglauf gesetzt werden können. In einer digitalisierten Produktion könnten sich Betriebszustände laufender Maschinen und anderer Geräte an den Produktionslinien sensorgestützt ermitteln lassen. Im Anschluss würden diese per Maschinenprogramm, Scada- oder Produktionssystem, MES oder ähnliche Anwendungen ausgewertet. Dabei gilt es, den Status des jeweiligen Produktionsschritts zu berücksichtigen, ebenso Informationen zu Up-/Down-Stream-Abhängigkeiten und einen möglichen Neustart samt Auswirkungen. Nach dieser Berechnung können Unternehmen die Stillstände ermitteln und diese Daten in einem Digital Twin einspielen. Die visuell aufbereitete Nutzung der Ergebnisse im digitalen Zwilling ist der finale Schritt dieses Prozesses, um gleichermaßen einen Überblick zu erhalten sowie datenbasierte energetische Maßnahmen ableiten zu können.
Nicht alle Früchte hängen tief
Der Faktor Energie ist heute essenziell – um Kosten niedrig zu halten und den Betrieb überhaupt aufrechterhalten zu können. Wer die tief hängenden Früchte bereits gepflückt hat, sollte den Weg auf die Leiter nicht scheuen und auch anspruchsvollere Maßnahmen beginnen: Sie summieren sich im Ergebnis. Eine durchdachte Start-Stopp-Strategie kann das Zünglein an der Waage sein, um überhaupt weiter produzieren zu können. Auf jeden Fall unterstützt sie dabei, mit weniger Energie dieselbe Kapazität zu erreichen und damit am Ende noch wettbewerbsfähiger zu produzieren.
Datum:9. Februar 2023
Autoren:Walter Oswald ist Director im Industry Technology Team der Avanade Deutschland GmbH.
Themen: Onlinefachbeitrag, Produktentwicklung
Webseite: www.avanade.de
Datum: 9. Februar 2023
Autoren: Walter Oswald ist Director im Industry Technology Team der Avanade Deutschland GmbH.
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