Ceny energií už ve výrobě dávno nejsou jen jednou z mnoha nákladových položek. Pro řadu průmyslových podniků se staly faktorem, který může výrazně ovlivnit provozní marži, investiční rozhodování i konkurenceschopnost. A nejde jen o samotnou výši cen. Problémem je především rychlost a nepředvídatelnost jejich změn. Výrobní plány postavené na předpokladu relativně stabilních nákladů na energie proto přestávají fungovat tak, jak byly firmy zvyklé.
Zajímavé přitom je, že odpověď nemusí spočívat pouze v nákupu úspornějších technologií nebo hledání levnějšího dodavatele energie.
Nástroje digitální výroby, které firmy používají především ke zvyšování produktivity, kvality nebo průchodnosti výroby, lze využít také k hledání energetických úspor. Simulace výroby, CNC obrábění, robotiky nebo virtuální zprovoznění umožňují ověřit různé scénáře ještě předtím, než firma změní reálný provoz nebo investuje do nového zařízení.
A právě zde se otevírá prostor pro úspory, které na první pohled nemusí být vůbec vidět.
Krátkodobě: nejdříve hledejte energii, která se spotřebovává zbytečně
V horizontu prvních 6 až 18 měsíců není cílem přestavět továrnu. Jde především o to zjistit, kde lze snížit spotřebu bez velkých investic a bez narušení výroby. Takových míst bývá ve výrobních provozech překvapivě mnoho.
Stroj čeká. Energie se ale spotřebovává dál.
Simulace výrobních toků se běžně používá k optimalizaci pohybu materiálu a průchodnosti výroby. Stejný model ale dokáže ukázat také nevyužitý čas strojů, fronty mezi operacemi nebo nevhodně nastavené sekvence. Typickým příkladem může být stroj, který mezi dvěma zakázkami zůstává v pohotovostním režimu. Dopravník, který běží nepřetržitě, přestože by stačil dávkový provoz. Nebo systém stlačeného vzduchu pracující na plný tlak i v době, kdy je odběr minimální.
K odstranění těchto ztrát přitom není nutné kupovat nové zařízení. Často stačí změnit způsob plánování nebo organizaci výroby. Simulace umožňuje nejprve ověřit, co taková změna udělá s celým provozem, a teprve potom ji zavést na výrobní hale.
U CNC může být problém v pohybu, který nic nevyrábí
Spotřebu CNC stroje ovlivňuje zatížení vřetena, posuv, délka dráhy nástroje i čas, kdy stroj mezi jednotlivými operacemi čeká. Většina NC programů byla historicky optimalizována především s ohledem na čas cyklu a kvalitu povrchu. Spotřeba energie obvykle mezi hlavní kritéria nepatřila. Při simulaci se ale lze podívat i na to, kde se nástroj pohybuje bez obrábění, zda nejsou posuvy vyšší, než operace skutečně vyžaduje, nebo kolik času přidávají výměny nástrojů.
Podle Dassault Systèmes může optimalizace programů z tohoto pohledu snížit energetickou spotřebu stroje přibližně o 8 až 15 %, aniž by se změnila kvalita vyráběného dílu.
Také robot nemusí vždy zvolit nejúspornější cestu
Podobná situace nastává u průmyslových robotů. Při jejich programování se obvykle sleduje především rychlost a opakovatelnost. Spotřeba energie bývá až druhotným parametrem. Simulace může ukázat, kde robot zbytečně prudce akceleruje, kde opisuje širší dráhu, než je nutné, nebo kde čeká pod zatížením na dokončení předchozí operace. Úpravou pohybových profilů a následným ověřením v simulaci lze podle Dassault Systèmes dosáhnout 10 až 20% snížení spotřeby energie na robotickou buňku. U provozu s desítkami robotů už může jít o velmi zajímavé číslo.
Někdy není potřeba spotřebovat méně. Stačí spotřebovávat ve správnou dobu.
Další prostor vzniká při plánování výroby. Pokud se cena elektřiny během dne mění, mohou firmy s určitou flexibilitou přesouvat energeticky náročné operace mimo nejdražší časová pásma. Neznamená to podřídit celý výrobní plán ceně elektřiny. Jde o to zjistit, které operace skutečně mají časovou flexibilitu a lze je přesunout bez negativního dopadu na termíny nebo navazující procesy. Do plánování tak vedle kapacity, dostupnosti zařízení, nástrojů a termínů vstupuje další parametr: cena energie. A simulace následně ověří, zda úspora na jednom místě nevytvoří úzké místo někde jinde.
Střednědobě: optimalizace už nestačí, přichází změna samotného provozu
V horizontu přibližně 18 měsíců až 4 let se situace mění.
Firma už nehledá pouze rezervy v existujícím provozu. Začíná rozhodovat o investicích, změnách technologií nebo uspořádání výroby. A právě tady je drahé rozhodovat metodou pokus – omyl.
Co se stane, když změníme výrobu?
Virtuální dvojče závodu umožňuje vytvořit digitální reprezentaci výrobního prostředí včetně rozmístění zařízení, výrobních toků, vzájemných závislostí strojů a napojení na energie.
Firma pak může ještě před samotnou investicí ověřit například:
- Co se stane s průchodností výroby, když přesuneme část zatížení mezi pracovišti?
- Vyplatí se vyřadit energeticky náročný stroj?
- Pomůže větší mezizásoba přesunout výrobu do levnějšího energetického pásma?
- Co udělá změna zdroje energie s celkovými výrobními náklady?
Výhodou je, že nejde jen o statický výpočet v tabulce. Dynamická simulace ukáže také druhotné dopady změny na další části výroby.
Nový stroj vypadá dobře v katalogu. Jak ale bude fungovat právě u vás?
Výměna staršího zařízení za energeticky úspornější bývá jedním z nejlogičtějších kroků. Zároveň jde o investici, která je drahá a obtížně vratná. Virtuální zprovoznění umožňuje ještě před objednáním nebo instalací nového zařízení propojit jeho PLC logiku s virtuálním výrobním prostředím a ověřit celý proces. Lze tak odhalit problémy s integrací, rozdíly v časech cyklů i situace, kdy očekávaná energetická úspora v konkrétním provozu nevychází tak dobře jako v údajích dodavatele. Dassault Systèmes uvádí, že firmy využívající virtuální zprovoznění mohou zkrátit fyzickou fázi commissioning přibližně o 30 až 50 %.
V případě energetických investic je ale stejně důležité něco jiného: možnost vyhnout se nákupu technologie, která vypadá dobře na papíře, ale v reálném výrobním systému očekávání nesplní.
Energetická náročnost se může stát součástí technologického postupu
Další možností je vrátit se k samotnému plánování výrobních procesů. Na kterém stroji se konkrétní operace provádí? V jakém pořadí? Jaké nástroje používá? Tato rozhodnutí mohou ve výrobě přetrvávat roky. Pokud se do nich nově zahrne také spotřeba energie, může se ukázat, že některé operace lze přesunout na úspornější zařízení, jiné sloučit nebo změnit jejich pořadí tak, aby nevznikaly zbytečné cykly ohřevu a chlazení. Jednotlivá úspora nemusí být dramatická. Pokud ale snížíte energetickou náročnost dílu například o několik procent a změna se následně promítne do každého dalšího vyrobeného kusu, její efekt se postupně násobí.
Dlouhodobě: navrhnout výrobu tak, aby byla méně závislá na cenách energií
V horizontu čtyř a více let už nejde jen o snižování současné spotřeby.
Otázka zní jinak: Jak navrhnout výrobu, která bude vůči výkyvům cen energií odolnější už ze své podstaty?
Energetická efektivita už při návrhu továrny
Při stavbě nového závodu nebo zásadní modernizaci existujícího provozu lze spotřebu energie zahrnout mezi parametry už při samotném návrhu. Místo toho, aby se nejprve optimalizovala výroba a až následně kontrolovala její energetická náročnost, lze obě oblasti řešit současně. Virtuálně je možné modelovat například využití odpadního tepla, zónování stlačeného vzduchu, přirozené osvětlení nebo rozmístění technologií podle jejich tepelných charakteristik. Energetická náročnost závodu se tak nestává vedlejším výsledkem hotového návrhu, ale jedním z parametrů, podle kterých návrh vzniká.
Automatizace nemusí být navržena pouze na rychlost
Stejný princip se týká budoucích investic do robotiky a automatizace. Při výběru robota nebo návrhu pracoviště lze vedle času cyklu, flexibility a spolehlivosti hodnotit také energetickou náročnost. Simulace umožňuje porovnat různé modely robotů, koncové efektory nebo strategie pohybu a současně sledovat jejich vliv na produktivitu i spotřebu. Výsledkem nemusí být vždy nejrychlejší řešení. Může jím být varianta, která při požadovaném výkonu dosáhne lepšího poměru mezi produktivitou a energetickými náklady.
Virtuální dvojče jako běžná součást řízení výroby
Nejpokročilejší přístup nekončí vytvořením virtuálního dvojčete pro jeden investiční projekt. Virtuální model se stává součástí běžného provozu. Průběžně se aktualizuje výrobními daty a týmy ho využívají při plánování, údržbě i změnách procesů. Pokud se cena energie během několika měsíců výrazně změní, lze například ještě před úpravou výrobního plánu ověřit, jaký ekonomický dopad bude mít přesun výroby nebo změna směn.
Rozhodnutí, která dříve vycházela především ze zkušeností plánovačů, tak mohou být podpořena konkrétní simulací. Nejde přitom o nahrazení zkušeností lidí. Naopak. Nejlepší výsledky přináší kombinace znalosti provozu s možností jednotlivé varianty předem ověřit.
Kde tedy začít?
Ne každá firma potřebuje jako první krok virtuální dvojče celé továrny. Z krátkodobého hlediska mají podle Dassault Systèmes velmi dobrou návratnost především optimalizace CNC programů a simulace výrobních toků. Nevyžadují velké kapitálové investice, lze je využít nad existujícím provozem a výsledky se mohou projevit během několika měsíců.
Virtuální dvojče a virtuální zprovoznění vyžadují více času a přípravy. Jejich ekonomický přínos ale nespočívá jen v přímé úspoře energie. Pomáhají také předcházet chybným investičním rozhodnutím. A právě to je možná nejzajímavější myšlenka celého tématu.
Tyto digitální nástroje původně nevznikaly jako systémy pro řízení energií. Byly vyvinuty pro zvyšování kvality, průchodnosti výroby a zkracování času potřebného k uvedení produktu na trh.
Energetické úspory jsou důsledkem něčeho jiného: schopnosti vidět dopady rozhodnutí ještě předtím, než začnou stát peníze.
Kolísání cen energií výrobní firmy nezastaví. Mohou ale změnit způsob, jakým na něj reagují.
A právě firmy, které dokážou svou výrobu flexibilně přizpůsobovat, budou mít oproti těm, které stále považují energii za víceméně fixní náklad, výraznou výhodu.
Zdroj: Článek vychází z materiálu Dassault Systèmes How Can Manufacturers Protect Operating Margins Against Global Energy Price Volatility?, publikovaného na blogu DELMIA.
Doporučené odkazy:
DELMIA – plánování, simulace a optimalizace výroby
Zjistěte, jak lze výrobní procesy přenést do digitálního prostředí, odhalit úzká místa, lépe využívat kapacity a ověřovat změny ještě před jejich zavedením do reálného provozu.
Více o DELMIA
3DEXPERIENCE – společné prostředí pro vývoj a výrobu
Propojení produktových a výrobních dat umožňuje posuzovat změny v širším kontextu a sledovat jejich dopad na výrobu, náklady i využití zdrojů.
Více o platformě 3DEXPERIENCE
Digitální výroba a simulace
Virtuální ověření výrobních procesů, layoutů, pracovišť a robotických operací pomáhá hledat efektivnější varianty ještě před změnou skutečného provozu. Tohle bych prolinkovala přímo na DELMIA, kde už tuto oblast máte jako samostatnou část nabídky.
