Das Anpassen von Prozessen ist kostenintensiv und aufwändig. Selbst, wenn das Gros der industriellen Abläufe vorab am Computer simuliert wird. Im Rahmen des Projekts »Prozessoptimierung und Entscheidungsunterstützung in der chemischen Industrie« haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM nun ein System entwickelt, das alle relevanten Informationen anhand objektiver Kriterien automatisch ermittelt und die Optimierung im virtuellen Prozess automatisch übernimmt.

»Um Ihren Produktionsprozess zu optimieren, suchen Sie nach geeigneten Stellschrauben. Variieren Sie deren Einstellungen. Nutzen Sie dafür Ihre Erfahrungen, Ihre Vermutungen und testen Sie so lange, bis Sie das Gefühl haben, den Prozess verbessert zu haben. Validieren Sie Ihre neuen Maßnahmen. Bei Bedarf können Sie ihre Verbesserungen weiter optimieren. Beginnen Sie dafür einfach wieder von vorne.«

Natürlich ist dieser Ausschnitt aus einem möglichen »Handbuch zur Verbesserung von industriellen Anläufen« fiktiv. Die Optimierung von Produktionsprozessen ist in der Realität deutlich komplexer. Zumal die Mehrzahl von Prozessen und damit auch Prozessoptimierungen zunächst am Computer simuliert werden. Trotzdem spiegelt diese Anleitung im Kern die Tatsachen wieder – und offenbart damit ein generelles Problem: Prozesse zu optimieren bedeutet nach wie vor, mit Hilfe von Versuch und Irrtum zu testen, wie durch Variation von Einzelprozessen die Qualität eines Produkts verbessert und der Produktionsaufwand gesenkt werden kann. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Stellschrauben konkret oder ob es Schieberegler im Simulationsprogramm sind. »Eine Simulation ist zwar eine deutliche Arbeitserleichterung für die Prozessoptimierung, trotzdem sind Maßnahmen zur Verbesserung der simulierten Abläufe mit großen Aufwand verbunden. Denn jedes Verstellen kostet mindestens Rechenzeit – zumal viele Simulationen aufwändig eingestellt und angepasst werden müssen«, sagt Dr. Michael Bortz vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. »Eine Optimierung ist in der Regel immer noch kaum etwas anderes als eine Abwägung – ein Herantasten an den nächsten Verbesserungsschritt«, sagt Bortz. Was aber, fragt der Forscher, wenn auch diese Aufgabe künftig eine Maschine übernehmen könnte? In Echtzeit!

Lösungsmanagement in Echtzeit

Die Maschine – oder vielmehr ein System – müsste dann lediglich über den Optimierungswunsch und über die vorhandenen Variationsmöglichkeiten informiert werden. Danach würde die maximale Leistungsfähigkeit der an einem Prozess beteiligten Schritte erkannt, sie würden miteinander kombiniert und es würde ein Ideal an Positionen für die Stellschrauben ausgegeben. Der Prozess würde dann nicht versuchs- und schrittweise, sondern sofort bestmöglich optimiert. »Prozesse können dann sogar rückwärts geplant werden«, betont Bortz. So könne – stark vereinfacht - das System zur Optimierung eines chemischen Prozesses folgenden Hinweis ausgeben: »Der Reaktor für die chemischen Prozesse ist zu klein. Würde ein doppelt so großer Reaktor genutzt, wäre die Anschaffung zwar viermal so teuer, aber die Produktionsmenge würde von einer halben Tonne am Tag auf zwei Tonnen ansteigen.«

MSO-basierte Verfahrenstechnik

Im Anwendungszentrum »MSO-basierte Verfahrenstechnik« des Fraunhofer ITWM arbeiten Bortz und sein Team an Methoden und Programmen, die genau das erreichen können. MSO steht für Modellierung, Simulation und Optimierung. Dafür entwickeln die Forscher am Anwendungszentrum seit über zehn Jahren spezialisierte Software. Das Ziel dabei: höhere Produktionsgeschwindigkeiten, bessere Verfügbarkeiten, mehr Flexibilität und höhere Produktqualität bei möglichst geringen Kosten möglich zu machen. Grundlage dafür ist die Simulation verfahrenstechnischer Prozesse und Produkte in Kombination mit mathematischen Optimierungsverfahren.
Eines der Ergebnisse ist eine Methodik, mit der ein virtueller Prozess quasi automatisch optimiert wird. »Zu den Stellschrauben eines chemischen Prozesses gehören beispielsweise Parameter wie Heiz- und Kühlleistungen oder Drücke, die durch Stellschrauben und Ventile variiert werden können«, erklärt Bortz. »Wir haben aufgrund unserer Erfahrungen und Erkenntnisse ein Programm entwickelt, das den jeweiligen Prozess und seine Optimierungspotenziale erfasst und die idealen Voraussetzungen und Einstellungen für einen Prozess errechnet.« Ein versuchsweises Variieren der Stellschrauben in einer Simulation (und damit auch im realen Prozess) ist damit nicht mehr nötig. Das Programm gibt entsprechend der Zielvorgaben das Ideal aus. Praxistests beim Partnerunternehmen BASF oder dem Schweizer Chemie- und Pharmaunternehmen Lonza Group zeigen die Leistungsfähigkeit. »Bei einzelnen Prozessen haben wir eine Einsparung beispielsweise der Heizleistung von zehn Prozent erreicht“, so Bortz.

Anpassung in Echtzeit

Bortz und sein Team wollen in den kommenden Jahren aber noch einen Schritt weitergehen. Denn das Optimum eines Prozesses hat in der Regel nur für einen gewissen Zeitraum Bestand. Danach muss und kann der Prozess wieder an neue (leicht modifizierte) Vorgaben angepasst werden. »Prozesse werden mittlerweile von teils Hunderten von Messstellen überwacht. Wir wollen deren Input nutzen, um mit Hilfe unserer Software die Prozesse in nahezu Echtzeit an das jeweilige Optimum anzupassen«, betont er. Die neuen Forschungen konzentrieren sich also nicht mehr auf die Simulation, sondern sollen in Sekundenbruchteilen die Optima im virtuellen Spiegel der tatsächlichen Prozesse berechnen und diese dann live auf die realen Stellschrauben übertragen. Wenn auch das gelänge, stünden am Ende Modelle, die sich selbstständig an die jeweiligen Voraussetzungen anpassen und so automatisiert die Prozesse optimieren.

(aku)

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