Der Klimawandel ist vielleicht die dringendste Herausforderung, vor der die Welt heute steht. Im Mittelpunkt der Aktionspläne der Vereinten Nationen steht die Verpflichtung, die weltweite Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beenden und auf nachhaltige Energielösungen umzusteigen. Der internationale wissenschaftliche Konsens besteht seit langem darin, dass Bemühungen zur Reduzierung der jetzt alarmierenden Werte des atmosphärischen Kohlendioxids nur dann erfolgreich sein werden, wenn sie mit Anpassungsmaßnahmen einhergehen. Regierungen, Organisationen und Privatpersonen auf der ganzen Welt müssen auf nachhaltige Energie umsteigen. Glücklicherweise erleichtern neue Innovationen diese Anpassung.
Das deutsche Unternehmen Heliatek hat eine bahnbrechende organische Solarfolie entwickelt, die das Ziel von 100 % Ökostrom Wirklichkeit werden lässt, indem sie den bisher ungedeckten Bedarf an einer für verschiedene Architekturen (z. B. vertikal) optimierten Solaranlage erfüllt. 2006 als Spin-off-Unternehmen der Technischen Universität Dresden und der Universität Ulm gegründet, wurde Heliatek 2011 mit dem renommierten Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet und 2015 vom Weltwirtschaftsforum als Technologiepionier ausgezeichnet.
Die Schlüsselinnovation von Heliatek, HeliaSol, ist eine ungiftige, ultraleichte und ultraflexible Solarfolie, die sich zum Abdecken gekrümmter und unregelmäßiger Oberflächen eignet. „Was [HeliaSol] von der herkömmlichen Photovoltaik unterscheidet, ist, dass es Marktsegmente abdecken kann, die von der herkömmlichen Photovoltaik nicht abgedeckt werden – insbesondere aufgrund der Gebäudebelastung“, erklärt Prozessintegrationsingenieur Torsten Weber. Mit einer Dicke von weniger als 1 mm ermöglicht HeliaSol Architekten, die gesamte Oberfläche einer Struktur für Aktivitäten zur Solarenergieerzeugung zu nutzen. Diese Designinnovation macht Energieneutralität in der städtischen bebauten Umgebung leichter erreichbar.
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Vom Pilotprojekt bis zur maßstabsgetreuen Produktion
Weber, der 2017 zu Heliatek kam, ist Teil eines Teams, das für die Optimierung des Ertragsprozesses in der Pilot- und Massenproduktionsfabrik des Unternehmens verantwortlich ist. Da das Jahr 2020 den ersten Meilenstein der Markteinführung einer Produktion im industriellen Maßstab markiert, bringt der Technologietransfer in der maßgeschneiderten Rolle-zu-Rolle-Produktionsumgebung laut Weber einige einzigartige Herausforderungen mit sich.
„Unser Produkt ist wirklich neu und innovativ“, erklärt Weber. „Das bedeutet, dass unsere Maschinen auch einzigartig und anspruchsvoll zu bauen sind. Dadurch sind unsere Dateneingaben und Datenströme stark individualisiert.“ Während die Standardausrüstung mit einigen veralteten Prozesskenntnissen und Erwartungen an die statistische Prozesskontrolle (SPC) ausgestattet wäre, fangen Weber und seine Kollegen bei Null an, um Prozesswissen aufzubauen, indem sie die Produktion über mehrere Prozess- und Maschinenparameter aus verschiedenen Quellen in der Fabrik überwachen.
Die Etablierung von SPC für eine kundenspezifische Produktionsumgebung beginnt mit einer messtechnischen Untersuchung aller von der Anlage durchgeführten Messungen, erklärt Weber. Erste Ideen zu den Warngrenzen der Fabrik mussten durch eine Kombination aus Basisläufen und Experimenten verifiziert werden. Anschließend wurden die Datenausgaben angepasst, um die für eine gute SPC erforderlichen Daten zu generieren und gleichzeitig unbrauchbare Daten zu verwerfen, die nur Speicherressourcen verschwenden würden.
Eine effiziente Datenstrategie setzt laut Weber nicht nur auf eine optimale Datenerfassung, sondern auch auf die sorgfältige Protokollierung von Abweichungen. Aus Fehlern zu lernen ist ein wichtiger Teil der Prozessverbesserung, und jedes außer Kontrolle geratene Ereignis hilft dem Team, mehr Informationen über Prozessgrenzen zu erhalten. Die Ausführung von Prozessen außerhalb der Spezifikationen kann jedoch den Kommerzialisierungsprozess verlangsamen und die Ausschusskosten erhöhen, sodass es unerlässlich ist, Abweichungen schnell zu erkennen und zu korrigieren. Um die Reaktionszeiten zu verbessern, war eine bessere Lösung erforderlich.
Aus diesem Grund hat Weber in JMP® ein benutzerdefiniertes Alarm-Dashboard erstellt.
Ein maßgeschneidertes Alarmtool hilft Betreibern, schnell auf außer Kontrolle geratene Prozesse zu reagieren
Weber ließ sich von einer herkömmlichen Alarmplatine inspirieren und nutzte JMP Scripting Language (JSL), um ein benutzerdefiniertes Dashboard für die Heliatek-Fabrik zu erstellen, das Bediener schnell benachrichtigt, wenn die Prozessabscheidungsraten innerhalb eines festgelegten Zeitrahmens die Spezifikationen überschreiten. „Es ähnelt einer Alarmtafel, aber ohne all die kleinen roten und grünen Knöpfe“, erklärt er. „Und mit dem Vorteil, die statistischen Methoden, die JMP bietet, schnell anwenden zu können.“
Das Dashboard wurde bewusst mit Blick auf die Visualisierung entwickelt, erklärt Weber, denn ein gutes visuelles Design ermöglicht es den Bedienern, auf einen Blick zu erkennen, welche Prozesse außer Kontrolle geraten. Das Dashboard zeigt mehrere Prozessparameter gleichzeitig an, wobei jeder wie eine Ampel farblich gekennzeichnet ist, um anzuzeigen, wie gut Prozesse funktionieren. Die Daten werden in einer kontinuierlichen Schleife aktualisiert, sodass jederzeit ein kurzer Blick helfen kann, Probleme zu diagnostizieren oder vorherzusehen.
Da vielbeschäftigte Bediener jedoch nicht immer auf das Dashboard blicken, ist die Fähigkeit, automatisierte Benachrichtigungen in Form einer E-Mail zu generieren, eine Schlüsselfunktion des Systems. Wenn ein Parameter rot wird und damit anzeigt, dass ein Grenzwert überschritten wurde, sendet das System automatisch eine E-Mail an eine Liste von Personen – Bediener, Schichtleiter und Ingenieure. Darüber hinaus gibt es eine Alternative zur JSL – die Funktion „Mail()“, die den Mail-Versand über einen internen SMTP-Server ausführt.
Mit unkomplizierten Skripten in JMP kann Weber die Einstellungen des Dashboards einfach anpassen, um Regeln und Ausnahmen für das Warnsystem zu erstellen. Die grafische Benutzeroberfläche und die integrierte Datenvisualisierungsfunktion der JMP-Software sind nicht nur für das Dashboard selbst von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Fähigkeit des Prozessintegrationsteams, Ereignisse außerhalb der Spezifikation zu untersuchen und daraus zu lernen. Darüber hinaus können Diagramme über ein benutzerdefiniertes HTML-Skript auch mit Nicht-JMP-Benutzern geteilt werden, wodurch auch Ladeprobleme und das automatische Neuladen von Add-Ins vermieden werden.
Verbesserung der Ausbeute um 1–5 % in der Pilotproduktion
Seit seiner Einführung hat das Alarm-Dashboard von Weber die Reaktionszeit der Bediener bei außer Kontrolle geratenen Prozessen drastisch verkürzt. Je schneller die Bediener einen Alarm erhalten, desto eher können sie die Leute zusammenbringen, um eine Lösung zu finden, sagt er, und das hat negative Auswirkungen auf die Verbesserung der Ausbeute und die Reduzierung des Ausschusses.
„Das Alarmboard hat in unserer Pilotproduktion wahrscheinlich den Ertrag um etwa 1 bis 5 % verbessert“, sagt er. „Das hängt von der Aufgabe ab, aber basierend auf einer Reihe von Experimenten und Durchläufen halte ich 1 bis 5 % für eine enorme Verbesserung.“
Diesen Erfolg führt er nicht zuletzt auf die intuitive Visualisierung zurück: „Mit unserem Alarmboard erkennen Sie schnell, wenn ein Parameter außer Kontrolle gerät. Und selbst wenn Sie mehrere Parameter haben, ist es immer noch sehr einfach – nicht nur mit der Alarmtafel, sondern auch, wenn Sie an Graph Builder denken.“
„Wir verwenden Graph Builder sowohl für das Alarmboard als auch für andere Daten, die wir analysieren möchten, um durch Korrelationen oder Verteilungen einen schnellen Überblick zu erhalten.“ Weber nennt es „schnelle und schmutzige Datenvisualisierung“; Datenverarbeitung und explorative Analysen tragen dazu bei, ein tieferes Prozessverständnis des Prozesses und der Interaktion mit verschiedenen Parametern aufzubauen.
JMP® ist ein One-Stop-Shop für Datenvisualisierung und erweiterte Analysen
Die interaktive, benutzerfreundliche Visualisierung war einer der Hauptgründe für Webers Entscheidung, JMP überhaupt zu lizenzieren. Weber sagt: „Wir wollten eine Analysesoftware haben, die die meisten Leute hier [bei Heliatek] nutzen können.“
Während andere Pakete grafische Funktionen bieten – und Open-Source-Codierungssprachen zur Erstellung eines benutzerdefinierten Dashboards hätten verwendet werden können – liegt das Schöne an JMP darin, dass es beides bietet. Und obwohl Webers Team in der Lebensdauer der Fabrik noch nicht den Punkt erreicht hat, an dem die Versuchsplanung (Design of Experiments, DOE) nützlich ist, rechnet Weber damit, die Funktion sehr bald zu nutzen.
„JMP ist eine wirklich attraktive und benutzerfreundliche Software, die auch über interessante Funktionen wie DOE und alle anderen statistischen Analysen verfügt, die ich möglicherweise benötige“, sagt er. „Dieses Tool zu haben – und auch in diesem Tool programmieren zu können – ist großartig. Mit JMP verfügen Sie über eine Software, mit der Sie die Daten analysieren und mit Skripten auch einige eigene Anwendungen erstellen können. Mit JSL kann man schnell viel lernen.“
Den Weg für Deep-Learning-Anwendungen ebnen
Da Datenströme und Fertigungssysteme zunehmend automatisiert werden, geht Weber davon aus, dass Dashboards und kontinuierliche Datenvisualisierungen eine noch größere Rolle spielen werden. In nicht kurzer Zeit wird Heliatek mehr seiner Datenprozesse vollständig oder teilweise automatisieren, und ein digitalisiertes System könnte Algorithmen verwenden, um zu lernen und auf Alarme bei außer Kontrolle geratenen Ereignissen zu reagieren.
„Es wird eine nie endende Optimierungsgeschichte sein“, sagt Weber. Und das ist gut so: Kontinuierliche Innovationszyklen bei Pionierunternehmen wie Heliatek tragen zur Lösung der Klimakrise bei. Mit der Ausweitung der Produktion seiner organischen Solarfolie können immer mehr Gebäude vollständig energieneutral werden.
