Produktionssimulation in Anlagenplanung und Betrieb

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.

Automatisierer können eine Vorreiterrolle einnehmen

Grüne Industrie

Nachhaltigkeit und Automatisierung

Unternehmen verfolgen diverse Ansätze, um ihre Nachhaltigkeit zu steigern. Automatisierer etwa machen ihre Fertigungsanlagen energieeffizienter und arbeiten kontinuierlich daran, auch die eigenen Produkte und Lösungen nachhaltiger zu gestalten.Hier geht es weiter zum Thema

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 Expertinnen und Experten des Anlagenbauers Zeta setzen Simulationssoftware von Inosim in allen Phasen des Projektes ein. In dessen Verlauf entwickelt sich die Simulation 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.

Simulationen unterstützen somit einen First-Time-Right-Ansatz und minimieren sowohl das Risiko als auch die Investitions- und Betriebskosten. Dies verdeutlichen die Projektbeispiele aus der Praxis:

Equipment reduziert im Impfstoff-Projekt

Eine Capex-Reduktion von über 4 Mio. 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.

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Kosten und Platz eingespart

Zu mehr als 5 Mio. 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 entwickelten und optimierten die Experten 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 Anlagenbetreiber von der Entwicklung einer Strategie zur vereinfachten Handhabung der Pufferlösungen. Der Hauptprozess blieb auch hier unverändert.

Einfache Lösung für die Inbetriebnahme

Im dritten Praxis-Beispiel geht es um eine Simulation, die während der Inbetriebnahme einer Anlage zur Fraktionierung von Blutplasma gestartet wurde. Es hatte sich nämlich herausgestellt, dass ein Skid nicht seine vorhergesehenen Kapazitäten ausschöpfen konnte. Der Grund waren Engpässe aufgrund von geteilten Transferleitungen für bestimmte Medien. Auf den ersten Blick bestand die Lösung in einer umfangreichen mechanischen Erweiterung der Transfersysteme – mit zahlreichen dafür nötigen Rohrleitungen und Ventilen, Änderungen im Automationssystem, Produktionsverlust durch einen längeren Shutdown, und wieder durchzuführenden Qualifizierungsschritten.

Mithilfe eines Simulationsmodells dieser Anlage stellten die Experten fest, dass es eine viel einfachere Lösung gab, um das Produktionsziel zu erreichen. Sie konnten Produktionsszenarien erarbeiten, bei welchen nur minimale Änderungen erforderlich waren: und zwar eine einzige zusätzliche Transferleitung sowie wenige Adaptionen in der Software und in den Produktions-abläufen. Die Kosten, von welchen der Betreiber der Anlage durch diese Vorgangsweise entlastet wurde, beliefen sich auf über 10 Mio. Euro.

INTERVIEW

mit Alexander Schaller, Simulation Engineer & Project Development, Zeta

P+F: Zeta hat vor kurzem die Mehrheit an Inosim übernommen. Mit welchem Ziel? Was macht diese Kombination für Sie so attraktiv?
Alexander Schaller: Wir haben bereits erfolgreich die Softwareprodukte von Inosim in unsere digitalen Werkzeuge integriert und somit einen fundierten Entscheidungsprozess im Engineering erreicht. Durch die Produktionssimulationen profitieren unsere Kunden von besserer und effektiverer Prozesseinführung bei niedrigeren Kosten. Dank der Kombination unseres eigenen Know-hows mit Inosim sind wir in der Lage, einen vollständig digitalen, integrierten Workflow anzubieten, der die Vorteile der Simulation in jeder Phase des Prozesses nutzt. Unsere Partnerschaft bietet zudem die vielversprechende Möglichkeit der Integration von Inosim Foresight, einer neuen Plattform für die prädiktive Entscheidungsunterstützung im Anlagenbetrieb. Digital Twins, die kontinuierlich im Hintergrund laufen, erlauben hochpräzise dynamische Vorhersagen selbst für komplexe Produktionssysteme. Dadurch werden Probleme in der Produktion in Echtzeit erkannt und behoben und somit ein optimierter Betrieb ermöglicht.

P+F: Neben der Kostenfrage wird auch die Nachhaltigkeit von Produktionsprozessen immer wichtiger. Können Simulationen hier auch helfen?
Schaller: Wir sehen sehr großes Potenzial für den Einsatz von Simulationen im Nachhaltigkeitsbereich. Die Industrie fordert vermehrt konkrete Lösungen und Optimierungen in diesem Bereich, die wir mit holistischen Produktionssimulationen bedienen können. Nachhaltigkeit bedeutet, Ressourcen möglichst wirksam einzusetzen: Angefangen bei Flächen und Rohstoffe für den Bau, über Ressourceneinsatz im Betrieb – zum Beispiel Wasser – bis hin zur Vermeidung von Fehlchargen. Mithilfe von Simulationen legen wir Systeme exakt auf tatsächliche Prozessanforderungen aus, ohne die Versorgungssicherheit zu gefährden. Zeigt die Simulation, dass in sämtlichen Szenarien nur eine gewisse maximale Durchflussrate benötigt wird, kann ein kleinerer Rohrdurchmesser gewählt werden. Dadurch können Materialeinsatz und Heizanforderungen gespart werden. Mit Inosim Foresight lässt sich die Lüftung an den tatsächlichen Bedarf dynamisch und vorrausschauend anpassen, um im laufenden Betrieb Energie zu sparen.

P+F: Wir haben in den Beispielen viel über das Design und Engineering von neuen Anlagen gehört. Wie sieht es mit der Optimierung bereits bestehender Anlagen aus?
Schaller: Viele Produktionsanlagen sind historisch gewachsen, bestehen aus zum Beispiel mehreren Linien, mit einer Vielzahl an geteiltem Equipment und miteinander interagierenden Systemen. Wie lässt sich die Kapazität steigern oder ein neues Produkt integrieren? Diese Frage ist aufgrund der hohen Komplexität nicht einfach zu beantworten. Mithilfe von Simulation können diese erfasst, Abhängigkeiten sichtbar gemacht, Bottlenecks identifiziert und Szenarien zur Behebung dieser verglichen und bewertet werden. Einerseits können bereits kleinere mechanische Eingriffe, Anpassungen der Software oder Optimierung von Abläufen und der Produktionsplanung zu Kapazitätssteigerungen von üblicherweise 10 bis 30 % führen. Andererseits können diverse Ausbauszenarien wie zum Beispiel Aufdopplung von Equipment vs. dem Bau einer zusätzlichen Linie anhand relevanter kundenspezifischer KPIs evaluiert werden. So ermöglichen wir unseren Kunden den besten Return on Invest.