Ceny energií už vo výrobe dávno nie sú len jednou z mnohých nákladových položiek. Pre radu priemyselných podnikov sa stali faktorom, ktorý môže výrazne ovplyvniť prevádzkovú maržu, investičné rozhodovanie i konkurencieschopnosť. A nejde len o samotnú výšku cien. Problémom je predovšetkým rýchlosť a nepředvídateľnosť ich zmien. Výrobné plány postavené na predpoklade relatívne stabilných nákladov na energie preto prestávajú fungovať tak, ako boli firmy zvyknuté.
Zaujímavé pritom je, že odpoveď nemusí spočívať iba v nákupe úspornějších technológií alebo hľadaní lacnejšieho dodávateľa energie.
Nástroje digitálnej výroby, ktoré firmy používajú predovšetkým na zvyšovanie produktivity, kvality alebo priepustnosti výroby, možno využiť aj na hľadanie energetických úspor. Simulácie výroby, CNC obrábanie, robotiky alebo virtuálne zprovoznění umožňujú overiť rôzne scenáre ešte predtým, než firma zmení reálny prevádzkový proces alebo investuje do nového zariadenia.
A práve tu sa otvára priestor pre úspory, ktoré na prvý pohľad nemusia byť vôbec vidieť.
Krátkodobo: najprv hľadajte energiu, ktorá sa spotrebováva zbytočne
V horizonte prvých 6 až 18 mesiacov nie je cieľom prestavať továreň. Ide predovšetkým o to zistiť, kde možno znížiť spotrebu bez veľkých investícií a bez narušenia výroby. Takých miest býva vo výrobných prevádzkach prekvapivo mnoho.
Stroj čaká. Energia sa ale spotrebováva ďalej.
Simulácie výrobných tokov sa bežne používajú na optimalizáciu pohybu materiálu a priepustnosti výroby. Rovnaký model ale dokáže ukázať aj nevyužitý čas strojov, fronty medzi operáciami alebo nevhodne nastavené sekvencie. Typickým príkladom môže byť stroj, ktorý medzi dvoma zákazkami zostáva v pohotovostnom režime. Dopravník, ktorý beží nepretržite, aj keď by stačil dávkový prevádzkový režim. Alebo systém stlačeného vzduchu pracujúci na plný tlak aj v čase, keď je odber minimálny.
K odstráneniu týchto strát pritom nie je nutné kupovať nové zariadenie. Často stačí zmeniť spôsob plánovania alebo organizáciu výroby. Simulácia umožňuje najprv overiť, čo taká zmena urobí s celým prevádzkovým procesom, a až potom ju zaviesť na výrobnej hale.
U CNC môže byť problém v pohybe, ktorý nič nevyrába
Spotrebu CNC stroja ovplyvňuje zaťaženie vŕtania, posuv, dĺžka dráhy nástroja i čas, počas ktorého stroj medzi jednotlivými operáciami čaká. Väčšina NC programov bola historicky optimalizovaná predovšetkým s ohľadom na čas cyklu a kvalitu povrchu. Spotreba energie obvykle medzi hlavné kritériá nepatrila. Pri simulácii sa ale dá pozrieť aj na to, kde sa nástroj pohybuje bez obrábania, či nie sú posuvy vyššie, než operácia skutočne vyžaduje, alebo koľko času pridávajú výmeny nástrojov.
Podľa Dassault Systèmes môže optimalizácia programov z tohto pohľadu znížiť energetickú spotrebu stroja približne o 8 až 15 %, aniž by sa zmenila kvalita vyrábaného dielu.
Aj robot nemusí vždy zvoliť najúspornejšiu cestu
Podobná situácia nastáva u priemyselných robotov. Pri ich programovaní sa obvykle sleduje predovšetkým rýchlosť a opakovateľnosť. Spotreba energie býva až druhotným parametrom. Simulácia môže ukázať, kde robot zbytočne prudko akceleruje, kde opisuje širšiu dráhu, než je nutné, alebo kde čaká pod zaťažením na dokončenie predchádzajúcej operácie. Úpravou pohybových profilov a následným overením v simulácii možno podľa Dassault Systèmes dosiahnuť 10 až 20% zníženie spotreby energie na robotickú bunku. U prevádzky s desiatkami robotov už môže ísť o veľmi zaujímavé číslo.
Niekedy nie je potrebné spotrebovať menej. Stačí spotrebovávať v správnom čase.
Ďalší priestor vzniká pri plánovaní výroby. Ak sa cena elektriny počas dňa mení, môžu firmy s určitou flexibilitou presúvať energeticky náročné operácie mimo najdrahších časových pásiem. Neznamená to podriadiť celý výrobný plán cene elektriny. Ide o to zistiť, ktoré operácie skutočne majú časovú flexibilitu a možno ich presunúť bez negatívneho dopadu na termíny alebo navazujúce procesy. Do plánovania tak vedľa kapacity, dostupnosti zariadení, nástrojov a termínov vstupuje ďalší parameter: cena energie. A simulácia následne overí, či úspora na jednom mieste nevytvorí úzke miesto niekde inde.
Strednodobo: optimalizácia už nestačí, prichádza zmena samotného prevádzkového procesu
V horizonte približne 18 mesiacov až 4 rokov sa situácia mení.
Firma už nehľadá iba rezervy v existujúcom prevádzkovom procese. Začína rozhodovať o investíciách, zmenách technológií alebo usporiadaní výroby. A práve tu je drahé rozhodovať metódou pokus – omyl.
Čo sa stane, keď zmeníme výrobu?
Virtuálne dvojča závodu umožňuje vytvoriť digitálnu reprezentáciu výrobného prostredia vrátane rozmiestnenia zariadení, výrobných tokov, vzájomných závislostí strojov a napojenia na energie.
Firma potom môže ešte pred samotnou investíciou overiť napríklad:
- Čo sa stane s priepustnosťou výroby, keď presunieme časť zaťaženia medzi pracoviskami?
- Vyplatí sa vyradiť energeticky náročný stroj?
- Pomôže väčšia medzi zásoba presunúť výrobu do lacnejšieho energetického pásma?
- Čo urobí zmena zdroja energie s celkovými výrobnými nákladmi?
Výhodou je, že nejde len o statický výpočet v tabuľke. Dynamická simulácia ukáže aj druhotné dopady zmeny na ďalšie časti výroby.
Nový stroj vyzerá dobre v katalógu. Ako ale bude fungovať práve u vás?
Výměna staršieho zariadenia za energeticky úspornější býva jedným z najlogickejších krokov. Zároveň ide o investíciu, ktorá je drahá a ťažko vratná. Virtuálne zprovoznění umožňuje ešte pred objednaním alebo inštaláciou nového zariadenia prepojiť jeho PLC logiku s virtuálnym výrobným prostredím a overiť celý proces. Môže tak odhaliť problémy s integráciou, rozdiely v časoch cyklov i situácie, kedy očakávaná energetická úspora v konkrétnom prevádzkovom procese nevychádza tak dobre ako v údajoch dodávateľa. Dassault Systèmes uvádza, že firmy využívajúce virtuálne zprovoznění môžu skrátiť fyzickú fázu commissioning približne o 30 až 50 %.
V prípade energetických investícií je ale rovnako dôležité niečo iné: možnosť vyhnúť sa nákupu technológie, ktorá vyzerá dobre na papieri, ale v reálnom výrobnom systéme očakávania nesplní.
Energetická náročnosť sa môže stať súčasťou technologického postupu
Ďalšou možnosťou je vrátiť sa k samotnému plánovaniu výrobných procesov. Na ktorom stroji sa konkrétne operácie vykonávajú? V akom poradí? Aké nástroje používa? Tieto rozhodnutia môžu vo výrobe pretrvávať roky. Ak sa do nich nově zahrnie aj spotreba energie, môže sa ukázať, že niektoré operácie možno presunúť na úspornejšie zariadenia, iné zlúčiť alebo zmeniť ich poradie tak, aby nevznikali zbytočné cykly ohrevu a chladenia. Jednotlivá úspora nemusí byť dramatická. Ak však znížite energetickú náročnosť dielu napríklad o niekoľko percent a zmena sa následne premietne do každého ďalšieho vyrobeného kusu, jej efekt sa postupne násobí.
Dlhodobo: navrhnúť výrobu tak, aby bola menej závislá na cenách energií
V horizonte štyroch a viac rokov už nejde len o znižovanie súčasnej spotreby.
Otázka znie inak: Ako navrhnúť výrobu, ktorá bude voči výkyvom cien energií odolnejšia už zo svojej podstaty?
Energetická efektivita už pri návrhu továrne
Pri stavbe nového závodu alebo zásadnej modernizácii existujúceho prevádzkového procesu možno spotrebu energie zahrnúť medzi parametre už pri samotnom návrhu. Namiesto toho, aby sa najprv optimalizovala výroba a až následne kontrolovala jej energetická náročnosť, možno obe oblasti riešiť súčasne. Virtuálne je možné modelovať napríklad využitie odpadového tepla, zónovanie stlačeného vzduchu, prirodzené osvetlenie alebo rozmiestnenie technológií podľa ich tepelných charakteristík. Energetická náročnosť závodu sa tak nestáva vedľajším výsledkom hotového návrhu, ale jedným z parametrov, podľa ktorých návrh vzniká.
Automatizácia nemusí byť navrhnutá iba na rýchlosť
Rovnaký princíp sa týka budúcich investícií do robotiky a automatizácie. Pri výbere robota alebo návrhu pracoviska možno vedľa času cyklu, flexibility a spoľahlivosti hodnotiť aj energetickú náročnosť. Simulácia umožňuje porovnať rôzne modely robotov, koncové efektory alebo stratégie pohybu a súčasne sledovať ich vplyv na produktivitu i spotrebu. Výsledkom nemusí byť vždy najrýchlejšie riešenie. Môže jím byť varianta, ktorá pri požadovanom výkone dosiahne lepší pomer medzi produktivitou a energetickými nákladmi.
Virtuálne dvojča ako bežná súčasť riadenia výroby
Najpokročilejší prístup nekončí vytvorením virtuálneho dvojčete pre jeden investičný projekt. Virtuálny model sa stáva súčasťou bežného prevádzkového procesu. Priebežne sa aktualizuje výrobnými dátami a tímy ho využívajú pri plánovaní, údržbe i zmenách procesov. Ak sa cena energie počas niekoľkých mesiacov výrazne zmení, možno napríklad ešte pred úpravou výrobného plánu overiť, aký ekonomický dopad bude mať presun výroby alebo zmena zmien.
Rozhodnutia, ktoré skôr vychádzali predovšetkým zo skúseností plánovačov, tak môžu byť podporené konkrétnou simuláciou. Nejde pritom o nahradenie skúseností ľudí. Naopak. Najlepšie výsledky prináša kombinácia znalosti prevádzky s možnosťou jednotlivé varianty predtým overiť.
Kde teda začať?
Nie každá firma potrebuje ako prvý krok virtuálne dvojča celej továrne. Z krátkodobého hľadiska majú podľa Dassault Systèmes veľmi dobrú návratnosť predovšetkým optimalizácie CNC programov a simulácie výrobných tokov. Nevyžadujú veľké kapitálové investície, možno ich využiť nad existujúcim prevádzkovým procesom a výsledky sa môžu prejaviť počas niekoľkých mesiacov.
Virtuálne dvojča a virtuálne zprovoznění vyžadujú viac času a prípravy. Ich ekonomický prínos ale nespočíva len v priamej úspore energie. Pomáhajú tiež predchádzať chybným investičným rozhodnutiam. A práve to je možno najzaujímavejšia myšlienka celého témy.
Tieto digitálne nástroje pôvodne nevznikali ako systémy pre riadenie energií. Boli vyvinuté pre zvyšovanie kvality, priepustnosti výroby a skracovanie času potrebného na uvedenie produktu na trh.
Energetické úspory sú dôsledkom niečoho iného: schopnosti vidieť dopady rozhodnutí ešte predtým, než začnú stáť peniaze.
Kolísanie cien energií výrobné firmy nezastaví. Môžu ale zmeniť spôsob, akým naň reagujú.
A práve firmy, ktoré dokážu svoju výrobu flexibilne prispôsobovať, budú mať oproti tým, ktoré stále považujú energiu za viac-menej fixný náklad, výraznú výhodu.
Zdroj: Článok vychádza z materiálu Dassault Systèmes How Can Manufacturers Protect Operating Margins Against Global Energy Price Volatility?, publikovaného na blogu DELMIA.
DELMIA – plánovanie, simulácia a optimalizácia výroby
Zistite, ako možno výrobné procesy preniesť do digitálneho prostredia, odhaliť úzke miesta, lepšie využívať kapacity a overovať zmeny ešte pred ich zavedením do reálneho prevádzkového procesu.
Viac o DELMIA
3DEXPERIENCE – spoločné prostredie pre vývoj a výrobu
Prepojenie produktových a výrobných dát umožňuje posudzovať zmeny v širšom kontexte a sledovať ich dopad na výrobu, náklady i využitie zdrojov.
Viac o platforme 3DEXPERIENCE
Digitálna výroba a simulácia
Virtuálne overenie výrobných procesov, layoutov, pracovísk a robotických operácií pomáha hľadať efektívnejšie varianty ešte pred zmenou skutočného prevádzkového procesu. Tohle bych prolinkovala přímo na DELMIA, kde už tuto oblast máte jako samostatnou část nabídky.
