Der Wettbewerbsdruck macht auch vor der Ernährungsindustrie nicht Halt. Hersteller sind gezwungen, ihre wirtschaftlichen Ziele und Vorgaben mit dem Produktionsbetrieb in Einklang zu bringen. Ein exakt gestaltetes Automatisierungssystem spielt dabei eine wichtige Rolle. Vor allem aber die Verbesserung der Performance einer Anlage mithilfe von Advanced Process Control schafft den nötigen Spielraum, um Marktchancen zu nutzen.
Die meisten Anlagen arbeiten bis zu einem gewissen Grad mit nicht-linearen Prozessen. Besteht jedoch ein enger Rahmen an Prozessbedingungen, gelten die Prozessmodelle als linear. Die Regelung und Optimierung dieser Prozesse kann mit Hilfe einer linearen multivariablen prädiktiven Regelungslösung (MPC) erfolgen. Ihre Vorteile liegen in erster Linie in einer verbesserten Qualitätskontrolle und in der Fähigkeit, enger an den Prozessbeschränkungen zu arbeiten. Die meisten Einheiten produzieren mehrere Produkte und manchmal sogar Produktfamilien. Der Betriebsfokus liegt folglich nicht nur auf der Sicherung der definierten Produktqualität, sondern auch auf dem Wechsel der Produktqualitätsstufen. Da Anlagen in der Ernährungsindustrie einem breiten Spektrum von Bedingungen unterliegen, ist das Verhalten der Prozesse äußerst nicht-linear. Aufgrund dieser Nicht-Linearität sind klassische lineare Advanced-Control-Werkzeuge ungeeignet.
Die Lösung: Nicht-lineare MPCs
Die Software-Lösungen von Pavilion Technologies für die Lebensmittelindustrie sind eine Familie prozessspezifischer Applikationen zur Regelung und Optimierung verschiedener Produktionseinheiten wie Trockner und Evaporatoren. Die Applikationen basieren auf der Pavilion-8-Technologie, die nicht-lineare Modellierung und Regelung ermöglicht. Die Software verfügt über Features für die Verbesserung der Modellgenauigkeit und der Performance bei der Sensorvalidierung. Darüber hinaus unterstützt sie die simultane Regelung und Optimierung mehrerer Prozesse. Das beschleunigt die Projektimplementierung, verringert Prozessschwankungen und steigert den Nutzwert während der gesamten Einsatzdauer der Software. Angesichts engerer Margen und gestiegener Anforderungen sorgt die Software für eine optimale Beherrschung des Fahrverhaltens der Prozesse. Prozesse mit variabler Dynamik sind präzise regelbar. Dieses wichtige Feature ermöglicht eine bessere Regelungsgüte über einen größeren Betriebsbereich sowie eine höhere Konsistenz bei Sollwertänderungen. Hersteller können in einem laufenden dynamischen Modell wichtige Parameter wie Verstärkungsfaktoren, Verzugszeit, Ausgleichszeit und Zeitkonstante modifizieren. Dies erhöht den Ertrag beim Endprodukt und reduziert das Material außerhalb der Spezifikation. Dank Import-Tools lassen sich Datensätze und wichtige Regelungsvariablen schnell und einfach importieren und handhaben. Der Einsatz wissensbasierter Gleichungen und betrieblicher Kenntnisse in der Modellentwicklung runden die Software-Applikationen ab. Damit können Produzenten ihr Know-how noch besser nutzen, um schneller robuste Regelungsanwendungen zu erstellen, die einen weiteren Betriebsbereich abdecken, mit der Geschwindigkeit empirischer Modelle ablaufen und eine höhere Effizienz als Alternativlösungen bieten.
Nutzwert in der Lebensmittelproduktion
Eine typische Anlage in der Ernährungsbranche lässt sich in vier wesentlichen Punkten optimieren:
- Verbesserte Vorhersage der Produktqualität und Regelung der Qualität im Rahmen der Spezifikation. Dadurch wird die Prozessstabilität verbessert, und die Mengen außerhalb der Spezifikation beziehungsweise Produkte zweiter Wahl werden reduziert. (30- bis 70-prozentige Reduzierung der Abweichung vom definierten Qualitätsniveau)
- Verbesserung der Stabilität der Verfahren. APC verringert Prozessschwankungen, schöpft den Prozess bis an die Grenzen aus und erhöht die Produktionsrate. (2- bis 8-prozentige Produktionssteigerung)
- Verbesserte Konsistenz der Verfahren. Qualitätswechsel erfolgen mit APC konsistenter. Die besten und schnellsten Wechsel sind häufiger wiederholbar, während wechselbedingte Verluste abnehmen. (mehr als 30-prozentige Reduzierung von Verlusten bei Prozessübergängen).
- Verbess erte Stabilität und Regelung des Prozesses erhöht die Effizienz des Betriebes. Dies misst sich unter anderem an weniger Energieverbrauch und -kosten.
APC in der Praxis
NZMP, der weltweit tätige Zutaten-Geschäftsbereich der Fonterra Co-Operative Group, hat bereits positive Erfahrungen mit APC gemacht. Als der weltgrößte Produzent von Molkereizutaten vertreibt NZMP seine Produkte in 100 Ländern und betreibt Niederlassungen auf jedem Kontinent außer der Antarktis. NZMP produziert milchbasierte Zutaten in vier Kernproduktgruppen: Milchproteine, Milchpulver, Käsezutaten und Sahneprodukte. In jeder dieser Produktgruppen bietet NZMP eine Reihe funktioneller Ingredienzien. Insgesamt produziert NZMP über 600 Produkte. Das Unternehmen betreibt einige der größten Prozessanlagen und ist anerkannt führend in Forschung und Entwicklung und bei der Milchqualität. Dank dieses Engagements für hoch qualitative innovative Produkte ist NZMP der bevorzugte Lieferant zahlreicher großer und anspruchsvoller internationaler Lebensmittelunternehmen.
Fonterra legt großen Wert auf die stetige Verbesserung der Performance und Rentabilität. Steigende Milchmengen müssen effizient in wertvolle Produkte konvertiert werden, die dem Bedarf der Kunden entsprechen. Für seinen Geschäftsbereich NZMP suchte das Unternehmen nach Möglichkeiten, angesichts steigender Milchmengen den Durchsatz zu erhöhen. Dabei lag der Fokus auf der Erhöhung des Ertrages und der allgemeinen Produktionsrate sowie auf der Verbesserung der betrieblichen Effizienz bestehender Evaporatoren und Trockner, um damit neue Investitionen entweder zu verschieben, zu verringern oder ganz zu vermeiden.
Anlagen besser nutzen
Die Entscheidung fiel für die Erweiterung der seit 1995 bestehenden Zusammenarbeit mit Pavilion. Die Ergebnisse der ersten Installationen waren so überzeugend, dass im Oktober 2002 die beiden Unternehmen einen Vertrag im Wert mehrerer Millionen US-Dollar über den Einsatz von Pavilions APC-Lösungen schlossen.
Dank der Pavilion-Lösungen kann Fonterra bestimmte Parameter festlegen – wie die Konzentration einer einzelnen Zutat, das Proteinverhältnis während bestimmten Produktionsphasen und die Feuchtigkeit des Milchpulvers beim Verlassen des Trockners. Die Software regelt die Produktion, so dass diese Parameter immer eingehalten und auch in Echtzeit modifiziert werden können. Auch weitere Produktionsfaktoren wie die Lufttemperatur im Trockner lassen sich mit Hilfe der Software überprüfen und regeln.
Neben einer Reduzierung der Qualitätsabweichungen und des Materials außerhalb der Spezifikation hat Fonterra einen effizienteren Anlagenbetrieb mit unter anderem einer um 5- bis 12-prozentigen Verbesserung der Energieeffizienz und damit deutlich weniger Kosten realisiert. Die Betriebskosten wurden ebenfalls reduziert und der Ertrag beim Endprodukt sowie die Produktion um 5 bis 15 % erhöht. Durch die effizientere Ausschöpfung bestehender Ressourcen konnte Fonterra geplante Investitionen in eine Erweiterung der Anlagenkapazität vorerst auf Eis legen.
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Software im Überblick
Pavilion-Technologies-Software-Lösungen für die Ernährungsindustrie sind eine Familie prozessspezifischer Applikationen zur Regelung und Optimierung verschiedener Produktionseinheiten wie Trockner und Evaporatoren. Die Applikationen basieren auf der Pavilion-8-Technologie.
Die reinen Software-Lösungen werden heute in zahlreichen variablen Produktionsumgebungen eingesetzt. Die Software verbindet statische Optimierung mit modellgestützter Regelung. Somit bietet sie eine Advanced-Process-Control-Lösung für das Management von Sollwerten und Übergängen der Prozesse. Es muss keine zusätzliche Messtechnik installiert werden. Die Software nutzt bestehende verteilte Regelungssysteme und Prozessverläufe, um Prozesse und Verfahren zu modellieren und zu regeln. Standardschnittstellen werden eingesetzt, um Prozessdaten von den verteilten Regelungssystemen abzulesen oder Sollwerte in die verteilten Regelungssysteme zu übertragen, während die Modelle und Regler in Echtzeit laufen. APC-Software ist meistens in der MES-Ebene angesiedelt. Sie nutzt Industrienormen wie OPC, XML und SQL, um Daten mit Regelungssystemen und Geschäftssystemen von Drittanbietern auszutauschen.
Detail zur Optimierung bei Fonterra
Überblick über NZMP
APC-Network
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