Kapazitätsplanung
in der chemischen Produktion

Kapazitätsplanung in der chemischen Produktion

Wie Sie mit einer optimierten Kapazitätsplanung einen reibungslosen Ablauf in der Fertigung der Chemieindustrie sicherstellen

Vielleicht kennen Sie die Situation: Sie wollen eine Party veranstalten und müssen Essen und Getränke für Ihre Gäste einkaufen. Aber wie viel sollen Sie denn besorgen? Wenn es Ihnen wie mir geht, neigen Sie dazu, mehr einzukaufen als nötig – für alle Fälle! Das bedeutet jedoch oft, dass der Kühlschrank nach der Party gefüllt mit Essenresten ist. Und wenn man diese dann nicht  rechtzeitig aufisst, muss man letztendlich eine Menge guter Lebensmittel wegwerfen.

Dies ist ein klassischer Fall von fehlgeschlagener Kapazitätsplanung im kleinen Rahmen – ärgerlich, aber ohne gravierende Langzeitfolgen. Dennoch wurden Geld und Ressourcen verschwendet. Stellen Sie sich nun eine Organisation vor, die Kapazitäten für Großprojekte oder die Produktion planen muss. Hierbei kann man sich Fehlkalkulationen nicht leisten. In diesem Beitrag erklären wir, wie Unternehmen von einer optimalen Kapazitätsplanung profitieren, am Beispiel der chemischen Produktion.

Was ist Kapazitätsplanung in der Produktion?

Im Allgemeinen wenden Unternehmen die Kapazitätsplanung in der Produktion an, um zu berechnen, wie hoch die Herstellungsmengen sein müssen, um die prognostizierte Nachfrage zu decken. Die Hauptziele sind die Maximierung des Gewinns, die Minimierung der Kosten, die Gewährleistung reibungsloser Arbeitsabläufe und Prozesse und letztendlich das Erreichen einer maximalen Effizienz. Dabei müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, wie z. B. Ressourcen (Personal, Anlagen und Maschinen, Materialien), Durchlaufzeiten und Produktionsprozesse.

Kapazitätsplanung in der chemischen Produktion

In der chemischen Industrie sind die Ziele der Kapazitätsplanung identisch mit den oben genannten. Doch die in der Produktion zu berücksichtigenden Faktoren sind spezifischer Natur.

Viele Stoffe und Zwischenprodukte, die in der Chemieindustrie verarbeitet werden, unterliegen strengen (Qualitäts)-vorschriften. Die Produkte müssen genau nach den vorgeschriebenen Formeln hergestellt werden. Die vorgegebenen Mengen der einzelnen Inhaltsstoffe und Zusammensetzungen sind exakt einzuhalten, denn schon eine geringfügige Änderung eines Inhaltsstoffes oder einer Rezeptur kann zu minderer Qualität führen und somit den gesamten Produktionsprozess stören. Abhängig von Faktoren wie Haltbarkeit und Beschaffenheit des Materials, ist es zum Beispiel wichtig zu wissen, wie lange eine Lagerung möglich ist und unter welchen Bedingungen die Produktion erfolgen muss. All dies erfordert eine genaue Planung und Abstimmung in den verschiedenen Phasen des Produktionsprozesses. Dies kann jedoch aus verschiedenen Gründen schwierig sein, auf die wir im Folgenden eingehen werden.

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Moderne Produktionsplanung

Den Herausforderungen in der chemischen Produktion entgegenwirken

Nachfrageschwankungen

Die Nachfrage nach Waren und Materialien kann aufgrund der allgemeinen Wirtschaftslage schwanken. Aber auch Markttrends und Verbraucherverhalten haben Einfluss auf Abnahmemengen.

Ein aktuelles Beispiel ist die Nachfrage nach medizinischen Atemschutzmasken und dem zu ihrer Herstellung verwendeten Meltblown-Gewebe. Hier erreichte die Nachfrage ihren Höhepunkt, als während der Corona-Pandemie das Tragen von Masken an öffentlichen Plätzen vorgeschrieben wurde. Europäische und nordamerikanische Unternehmen haben entsprechende Produktionskapazitäten aufgebaut oder erweitert. Jetzt, nach Aufheben der Maskenvorschriften, ist die Nachfrage in der Öffentlichkeit zurückgegangen und der Markt für Meltblown-Materialien ist überfüllt.

Die Lösung: Eine Nachfrageprognose, die sowohl Markttrends als auch wirtschaftliche und politische Entwicklungen, Verbrauchergewohnheiten usw. berücksichtigt, kann einem Unternehmen erheblich dabei helfen, die erforderlichen Ressourcen zu planen und die Nachfrage wesentlich besser zu decken.

Verfügbarkeit von Rohstoffen

Heutzutage sind Rohstoffe nicht mehr so frei verfügbar wie noch vor einigen Jahrzehnten. Umweltfaktoren, Unterbrechungen der Supply Chain und Preisschwankungen können sich erheblich auf die Verfügbarkeit von Rohstoffen auswirken, die wesentlicher Bestandteil der chemischen Produktion sind.

Die Lösung: Mithilfe eines verbesserten Supply Chain Managements und der Bestandsoptimierung können  Unternehmen die Verfügbarkeit und die Preise von Rohstoffen verfolgen und Unterbrechungen der Lieferkette rechtzeitig erkennen. Dadurch hat ein Unternehmen einen Überblick über die in der Produktion benötigten Ressourcen, und kann die Produktion entsprechend planen und die Kapazitäten auslasten.

Komplexe Arbeitsabläufe in der Produktion

Die Herstellung in der chemischen Industrie erfolgt in der Regel als Serienfertigung und beinhaltet Rohstoffe oder Zwischenprodukte, die aufgrund ihrer Zusammensetzung oder ihrer Eigenschaften in bestimmten Zeitrahmen verarbeitet werden müssen.

Die Produktion umfasst außerdem mehrere verschiedene Arbeitsabläufe wie Mischen, Erhitzen, Kühlen usw.. Diese Verfahren erfordern spezifische Maschinen und Anlagen sowie geschultes Personal für die Bedienung. Die Produktionslinien laufen oft rund um die Uhr, und es wird im Schichtbetrieb gearbeitet. Wenn wichtige Informationen während einer Schicht nicht ordnungsgemäß dokumentiert oder bei Schichtwechseln nicht kommuniziert werden, kann dies im weiteren Verlauf des Prozesses zu schwerwiegenderen Problemen führen. Die Planung von Produktions- und Personalkapazitäten eines Werks kann somit äußerst komplex sein.

Die Lösung: Die Komplexität in der Produktionsplanung kann weitgehend beseitigt werden, wenn Arbeitsabläufe und die gesamten Produktionsprozesse transparent sind. Dies ermöglicht es den Planer*innen, Maschinen- und Personalressourcen entsprechend einzuteilen. Mithilfe von Transparenz können aber auch Engpässe und Ineffizienzen schneller und besser identifiziert werden. Automatisierte Abläufe und eine digitalisierte Dokumentation der Arbeitsabläufe können die Kommunikation zwischen den Mitarbeitern, insbesondere bei Schichtwechseln, deutlich verbessern. Dies spart Zeit und Unterbrechungen im weiteren Verlauf der Produktionskette.

Produktmix- und Wechsel

In der chemischen Produktion werden verschiedene Produkte und Materialien auf der gleichen Produktionslinie verarbeitet. Hier ist es wichtig, dass Produktwechsel richtig geplant werden, um das Risiko zu vermeiden Off-Spec-Materialien zu produzieren. Für Reinigungsarbeiten an Geräten oder Maschinen müssen bei Produktwechseln oftmals wertvolle Zeit und Kosten aufgewendet werden. Umstellungsprozesse und Produktwechsel werden hierdurch komplexer.

Die Lösung: Produktwechsel müssen mit einem Produktionsablaufplan genau geplant werden. Dieser Plan terminiert genau die Herstellung verschiedener Produkttypen in einer High-Mix-Fertigungsumgebung. Wenn Sie z. B. verschiedene Produkte fertigen, die dieselben Inhaltsstoffe benötigen, oder verschiedene Produkte, aus ähnlichen Farbbereichen, dann sollten sie nacheinander hergestellt werden. Dies führt nicht nur zu weniger Ausschuss. Es werden auch weniger Zeit und weniger Ressourcen für Reinigungsvorgänge in der Produktionslinie benötigt. Rüstzeiten können verkürzt und der Durchsatz erhöht werden. Letztendlich hat ein Unternehmen einen besser vorhersehbaren und stabileren Produktionsprozess. Mit der richtigen Planung erhält es so auch mehr Spielraum, um Eilaufträge zu bewältigen.

Lagerhaltung

Ein großer Teil des chemischen Inventars für die Produktion besteht aus Materialien und Flüssigkeiten, die in Tanks und Silos gelagert werden. Es ist von entscheidender Bedeutung zu wissen, wie viel Zeit für einen Vorgang oder Arbeitsablauf benötigt wird und welches Volumen des Materials benötigt wird. Auf diese Weise können Sie Ihr Inventar verwalten und sicherstellen, dass immer genügend Platz im Tank ist, wenn Nachschub eintrifft, oder im anderen Extremfall zu vermeiden, dass der Tank leer läuft. Der Zufluss aus einem Vorgang und der Abfluss eines anderen Vorgangs bestimmen, wann ein Tank verfügbar ist. Wenn dies nicht genau koordiniert wird, kann das Fehlen von Material zu einer Blockierung der Produktionslinie führen. Ihre Kapazität kann nicht ausgelastet werden. Da die Nachfrage jedoch schwankt, können Produktionspläne unvorhersehbar werden, insbesondere wenn Eilaufträge eingehen.

Die Lösung: Um sicherzustellen, dass die Tanks und Silos ausreichend gefüllt sind, müssen die vor- und nachgelagerten Prozesse synchron geplant werden. Auf diese Weise kann die Kapazität der Produktionslinie optimal genutzt werden, auch bei Eilaufträgen, die vorrangig bearbeitet werden müssen . Auch hier können Nachfrageprognose eine erhebliche Hilfe sein.

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Wie viele andere Industrien und Geschäftsbereiche ist auch die chemische Industrie reich an Daten, aber arm an Informationen. Unternehmen produzieren in allen Bereichen ihres Geschäfts eine Vielzahl von Daten, sei es in ihren Lieferketten, in der Produktion, in der Lagerhaltung oder in der Logistik. Genau diese Daten können effektiv genutzt werden, um Abläufe und Prozesse effizienter zu gestalten – und genau hier kommen Advanced Analytics Tools ins Spiel…

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Hierzu werden die zugrunde liegenden Prozesse zunächst analysiert, um Einflussfaktoren, Wirkzusammenhänge und Querabhängigkeiten zu identifizieren. Auf dieser Basis entsteht ein mathematisches Modell welches den Prozess abbildet. Mit Hilfe ausgefeilter Algorithmen werden nun auf Basis von Echtdaten Abermillionen Möglichkeiten berechnet um den optimalen Produktionsplan im Hinblick auf ein definiertes Ziel zu finden. Besser noch: Die Optimierung kann auch auf mehrere Ziele ausgerichtet sind.

Ein mit OPTANO erstellter Produktionsplan würde beispielsweise eine optimale Fertigungsreihenfolge finden, die gleichzeitig Rüst- und Durchlaufzeiten minimiert, Liefertermine einhält sowie die Maschinen optimal auslastet. Bei kurzfristigen Änderungen erfolgt eine Umplanung mit wenigen Klicks, ohne dass die Planungsgüte dabei abnimmt. Dank mächtiger Verfahren im Hintergrund, wie Prescriptive Analytics, erhalten Planer*innen konkrete Handlungsempfehlungen, wie sich die zuvor definierten Ziele praktisch umsetzen lassen – egal ob es um die Maschinenbelegung oder das Zusammenfassen von Aufträgen geht.

Erweitert werden kann die Planung durch mächtige Vorhersagemodelle, beispielsweise Nachfrageprognosen auf Basis von Predictive Analytics. Mit Hilfe maschineller Lernverfahren werden hierbei Zusammenhänge erkannt und berücksichtigt, die bei einer manuellen Betrachtung unentdeckt geblieben wären. Neben den Vergangenheitsdaten, können auch externe Quellen eingebunden werden. Stellt man beispielsweise fest, dass es einen Zusammenhang zwischen der Entwicklung bestimmter Rohstoffpreise und der Nachfrage nach dem eigenen Produkt gibt, könnten diese in Echtzeit in das Vorhersagemodell eingebunden werden. Die so erstellte Nachfrageprognose fließt in den optimierten Produktionsplan ein und kann dafür sorgen, dass temporär Fertigungsmengen erhöht werden können, um die prognostizierte höhere Nachfrage im Prognosezeitraum zu bedienen und somit erhöht die Auslastung der Maschinen zu erhöhen. 

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Dr. Dominik Hollmann
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