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Prozess-Simulation schafft Planungssicherheit

Prozess-Simulation im Modell zeigt Engpässe und bringt Klarheit.
Prozess-Simulation im Modell zeigt Engpässe und bringt Klarheit.

Wird ein Produktionsprozess neu geplant oder geändert, hilft die Prozess-Simulation, Schwachstellen am Equipment schon vor Abschluss der Planung zu entdecken. Nachträgliche Änderungen der Planungsergebnisse sind oft sehr kostenintensiv und zu einem fortgeschrittenen Zeitpunkt im Projekt sogar nicht mehr realisierbar. Eine Simulation bringt Planungssicherheit bei der Auslegung einer Anlage und senkt die Investitionskosten.

Chemgineering setzt seit vielen Jahren die Prozess-Simulation sowohl bei der Planung von neuen Anlagen als auch beim Umbau von bestehenden Anlagen ein. Im Fall einer Neuplanung sind die Ziele einer Simulation:

  • Die Bewertung der Auslastung des neuen Equipments
  • Das Aufdecken von Engpässen
  • Die Berechnung der Verbräuche und die Kosten von Rohstoffen, Medien und Energien
  • Die Abschätzung des Personalbedarfs.

Im Fall eines Umbaus im Bestand geht es eher darum, zu simulieren, mit welchen Änderungen die Kapazität einer Produktionsanlage mit dem bestehenden Equipment gesteigert werden kann.

Eine Prozess-Simulation besteht darin, einen Produktionsprozess so einfach wie möglich und so detailliert wie nötig zu modellieren und mit Produktions-Szenarien zu belasten. Der Prozess wird anhand sog. Rezepte modelliert. Das Produktionsequipment wird mittels vordefinierter Objekte nachgebildet. Das so entstandene Modell wird danach mit Produktionsaufträgen belastet.

Für die Modellierung sind zuverlässige und konsistente Eingangsdaten erforderlich wie:

  • Rezepte aus Produktionsvorschriften
  • Technische Daten bezüglich Ausrüstung, Leistungen, Transfermengen und -zeiten
  • Produktionsdaten über Produktstruktur, Produktionspläne und Aufträge, Blockschemata und Prozessfliessbilder sowie betreiberspezifische Produktionsregeln

Es ist sehr wichtig, alle Eingangsdaten in Form einer zentralen Ablage (z.B. einer Excel-Datei) vollständig abzulegen und zu dokumentieren. Somit verfügen alle Beteiligten einer Simulationsstudie über eine eindeutige und nachvollziehbare Bezugsquelle. Dies gilt auch für die Dokumentation der Ergebnisse, die nie allein bewertet werden dürfen, sondern immer in Verbindung mit den beim Simulationsstart eingesetzten Eingangsdaten interpretiert werden müssen. Die Hauptergebnisse einer Prozess-Simulation bestehen aus Belegungsplänen (Gantt-Charts), Statistiken, Wertelisten und Grafiken, z.B. Behälterfüllstände oder Medienverbräuche in Abhängigkeit der Zeit.

Chemgineering hat zahlreiche Simulationen in diversen Bereichen mit folgenden Aufgabenstellungen realisiert:

Tanklager und Siloanlagen

  • Ermittlung der optimalen Anzahl und Grösse der Tanks je Rohstoff
  • Bewertung der Lieferfähigkeit des Tanklagers
  • Test von Strategien zur Tankbefüllung und -entleerung

Pharma- und Biotech-Prozesse

  • Auslastung des Produktionsequipments und der Reinigungsanlagen
  • Ermittlung der Produktionskapazität
  • Berechnung des Verbrauchs von Rohstoffen und Medien

Abfüllung und Verpackung

  • Berechnung der Anlagenauslastung durch Tests von verschiedenen Produktionsplänen
  • Analyse der Auftragsreihenfolge zur Minimierung der Reinigungs- und Rüstzeiten

Design von CIP/SIP-Systemen

  • Untersuchung und Festlegung von CIP-Kreisen (Zuordnung der Ausrüstung zu CIP-Anlagen)
  • Berechnung der Verbräuche von Wasser und CIP-Chemikalien

Dimensionierung von Reinstmedien-Anlagen

  • Test der Versorgungskapazität einer Wasseranlage in Abhängigkeit von dynamischen Wasserentnahmen
  • Prognostizierung des Medienverbrauchs und der Medienentnahmespitzen

Ein systematisches Vorgehen entscheidet über den Erfolg einer Prozess-Simulation
Die Ziele der Simulation, die zu simulierenden Szenarien und die erwartete Form der Ergebnisse müssen von Anfang an klar definiert werden. Aus der praktischen Erfahrung, dass ein Simulationsmodell «nie fertig» ist, muss das Vorgehen für die Abnahme der Simulation ebenfalls von Anfang an festgelegt werden. Eine Simulationsstudie startet mit der Erhebung der oben genannten Eingangsdaten. Danach erfolgt die Modellierung der Anlage, die mit der Validierung des Modells beendet wird. Nach der Durchführung der verschiedenen Simulationsläufe werden die Ergebnisse dokumentiert. Zuletzt erfolgt die Interpretation der Ergebnisse, und mögliche Lösungen werden vorgeschlagen. Die Interpretation der Ergebnisse und die darauffolgende Simulation von neuen Szenarien und Anlagenkonfigurationen erfolgen als iterativer Prozess in Zusammenarbeit mit dem Anlagenplaner und dem zukünftigen Betreiber.


«Guter Rat muss nicht teuer sein, aber ohne Rat kann es teuer werden!»
Die Erfahrung aus zahlreichen Simulationsstudien hat gezeigt, dass das Verhältnis der Simulationskosten zum Nutzen im Bereich von 1 zu 10 bis 1 zu 100 liegen kann. Das heisst, dass Simulationskosten von 1000 Euro einen Nutzen von 10 000 bis 100 000 Euro bringen können, z.B. in Form von Einsparpotenzial durch eine reduzierte Investition. Simulation ist keine «Papierstudie», sondern bildet eine intelligente virtuelle Anlage nach. Deshalb können Simulationsmodelle auch nach ein paar Jahren wieder aktiviert und angepasst werden, um neue Szenarien zu simulieren und sehr schnell neue Ergebnisse zu liefern, ohne hohe Kosten zu verursachen. Eine Prozess-Simulation gibt Planungssicherheit und deckt Schwachstellen von komplexen Systemen auf. Richtig eingesetzt hilft sie, nachhaltige, zukunftsorientierte Lösungen zu finden und dadurch Zeit und Kosten zu sparen sowie Risiken zu minimieren.

Chemgineering setzt eine objektorientierte und ereignisgesteuerte Simulationssoftware ein, die einen sehr tiefen Detaillierungsgrad ermöglicht und Prozessabläufe während eines Simulationslaufes visualisieren kann.

Philipp Michel|Projektleiter|Chemgineering|The Technology Designers

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