Nowoczesny przemysł - czyli inteligentne narzędzie Energy-I-System zarządzające produkcją w Odlewni 4.0

Ze wszystkich sektorów gospodarki, decydującym o sile państwa jest przemysł, a szczególnie energochłonny przemysł ciężki. O jego konkurencyjności decydują głównie ceny energii. Stąd niektóre inicjatywy polskiego rządu, mające na celu zmniejszenie obciążeń z tytułu działalności branż energochłonnych. Jednak nie sposób zauważyć, że w ostatnich latach firmy z tych sektorów napotykają szereg trudności. Unijna strategia osiągnięcia neutralności klimatycznej do 2050 r., zakłada redukcję emisji o min. 55% do 2030 r. W efekcie, mamy w Polsce najwyższe w UE ceny energii elektrycznej, a nasze firmy muszą dostosowywać swoją działalność do narzucanych, rygorystycznych regulacji unijnych. Rezultatem, jest ciągły spadek konkurencyjności polskich przedsiębiorstw.

Trudna sytuacja rynkowa i spadek konkurencyjności polskich odlewni spowodował, że skupiliśmy się na minimalizacji zużycia energii w energochłonnym procesie odlewniczym, ze szczególnym uwzględnieniem topienia i zalewania. Są to dwa obszary, które pochłaniają najwięcej energii przy produkcji odlewów. Należy do nich proces wytopu żeliwa w piecu indukcyjnym, a następnie proces podtrzymania temperatury ciekłego metalu, do momentu wylewania metalu do form. Zużycie energii w tych dwóch procesach mieści się w granicach 500…1200 kWh/t produktu. W oparciu o dostępne dane branżowe, określono jednostkowe zużycie energii elektrycznej w piecach indukcyjnych w odlewniach żeliwa. Analizowano odlewnie wyposażone w zmechanizowane linie odlewnicze, w których około 90% produkcji stanowią żeliwa sferoidalne, pozostałe 10% to żeliwa szare. W zależności od odlewni zużycie energii na cały proces topienia (wytop + podtrzymanie), wahało się od min. 553 do max. 748 kWh/t stopionego metalu. Dane zebrane były w kolejnych czterech latach, w pięciu różnych odlewniach (różniących się specyfiką produkcji i asortymentem). Na tej podstawie określono średnie zużycie energii na proces topienia, które wyniosło 660 kWh na tonę stopionego metalu. Zużycie energii na wytop, podtrzymanie i zalewanie stanowi dominującą część całkowitego zużycia energii przez odlewnię. Wyłącznie na te procesy, zużywane jest ok. 70% energii elektrycznej pobieranej przez cały zakład. Pozostałe liczne pobory energii (technologiczne i poza technologiczne), nie przekraczają 30% wolumenu. Różnica między zarejestrowanym minimalnym i maksymalnym zużyciem energii, świadczy o dużym potencjale oszczędności energii w analizowanych odlewniach.

W niniejszym artykule przedstawiamy inteligentne narzędzie Energy-I-System zbudowane przez firmę MODUS Sp. z o.o., dedykowane do optymalnego planowania procesu produkcyjnego w odlewniach. System posiada w swojej strukturze trzy zaawansowane informatycznie moduły: Opti-Data, Opti-Plan i Opti-Carbon. Każdy moduł może pracować samodzielnie, jednak razem stanowią jedną kompleksową, spójną całość. Energy-I-System to rozwiązanie, którego celem jest optymalizacja najbardziej energochłonnych procesów jakimi są: wytop, podtrzymanie i zalewanie. Dzięki zarządzaniu pracą pieca indukcyjnego oraz liniami do zalewania, ograniczane jest zużycie energii elektrycznej, przy jednoczesnej minimalizacji śladu węglowego odlewni.

 Skutki działania tego narzędzia omówimy na przykładzie rezultatów jego wdrożenia. Jest to podsumowanie doświadczeń, zebranych w autorskim projekcie badawczo – rozwojowym prowadzonym od 07/2021 do 12/2023 r. W wyniku prac projektowych, w  2024 roku w jednej z wiodących polskich odlewni, wdrożono samouczący się system nadzoru i planowania procesu topienia i zalewania. Odlewnia ta wyposażona była w dwutyglowy piec indukcyjny oraz dwie zmechanizowane linie odlewnicze. W Tabeli 1 zestawiono rzeczywiste efekty, uzyskane w rezultacie pracy modułów Energy-I-System.

Tabela. 1. Wdrożenie modułów narzędzia Energy-I-System w odlewni żeliwa

Tabela pokazuje porównanie dwóch parametrów – zużycia energii elektrycznej oraz wydajności w tych samych miesiącach, w dwóch kolejnych latach - PRZED wdrożeniem systemu (2023r.) oraz PO jego wdrożeniu (2024r.). W czasie działania systemu w prawie każdym miesiącu (poza czerwcem), uzyskano obniżenie zużycia energii (w porównaniu z analogicznym miesiącem rok wcześniej). Uzyskano także zwiększenie wydajności produkcji, mierzonej liczbą ton odlewów do form na godzinę. W tabeli wyróżniono dwa wiersze, w których widać wartości skrajne. Wartości te pokazują, że obniżono zużycie energii w granicach od 3,20% do aż 6,25%, przy jednoczesnym wzroście wydajności. Warto podkreślić, że jeszcze przed wdrożeniem narzędzia, odlewnia ta charakteryzowała się zużyciem energii wyraźnie poniżej średniej. Należy również zaznaczyć, że opisywany efekt uzyskano, nie poprzez modernizacje proefektywnościowe polegające na wymianie lub usprawnieniu samych urządzeń lub linii technologicznych, ale jedynie dzięki optymalnemu planowaniu produkcji i usprawnieniu organizacji samego procesu.

Co kryje w sobie narzędzie Energy-I-System?

Pierwszym elementem jest moduł Opti-Data. Jego zadaniem jest zebranie i konfiguracja odpowiednich danych, które będą niezbędne w dalszym procesie optymalizacji realizowanym przez moduł Opti-Plan. W niektórych odlewniach istnieją już systemy akwizycji danych klasy ERP, jednak nie zawsze zbierają one wszystkie niezbędne dane. Często w odlewniach dane te są wciąż jeszcze gromadzone na papierze i ręcznie wpisywane do istniejącego systemu. Dlatego moduł Opti-Data doskonale wspomaga proces zbierania danych w tych sytuacjach, gdzie istniejący system ERP nie do końca odpowiada na potrzeby odlewni.

Rysunek. 1. Widok panelu modułu Opti-Plan

Moduł Opti-Plan to inteligentny system on-line, którego zadaniem jest planowanie i bieżąca optymalizacja procesu topienia oraz zalewania. Jego kluczową rolą jest synchronizacja pracy pieców, linii zalewania i transportu ciekłego metalu. System uwzględnia rzeczywiste ograniczenia technologiczne zakładu takie jak: gatunki stopów, temperatury zalewania, wymagany skład chemiczny, czasy pracy zmian, dostępność urządzeń oraz czasy i zasady przezbrojeń. System automatycznie generuje harmonogramy produkcji (na dzień bieżący i kolejny tydzień), optymalizując czas pracy pieców, straty energii wynikające z niespójnego planowania oraz – co kluczowe operacyjnie – ograniczając liczbę przezbrojeń, poprzez lepsze grupowanie zleceń i sekwencjonowanie produkcji.

Drugim filarem Opti-Plan jest weryfikacja realizacji produkcji, czyli porównanie planu z rzeczywistym przebiegiem procesu. System prezentuje KPI w układzie zmian, linii i urządzeń (np. masa zalanego metalu na zmianę, liczba form, wydajność zalewania w czasie), umożliwiając szybkie wykrycie odchyleń, wąskich gardeł i przyczyn strat – bez ręcznej analizy raportów.

Trzecim modułem jest moduł Opti-Carbon. Jego zadaniem jest obliczanie i raportowanie śladu węglowego organizacji. Ślad węglowy jest tu obliczany dla wszystkich trzech zakresów, zgodnie z wymogami GHG Protocol oraz z normą ISO 14064-1. Jeśli nawet obecnie dane przedsiębiorstwo nie jest zobligowane do raportowania śladu węglowego, to już za chwilę sytuacja może ulec zmianie. Informacji o śladzie węglowym mogą oczekiwać klienci, którzy sami są zobowiązani do raportowania ESG, co nawet na mniejszych przedsiębiorstwach wymusi obliczanie śladu węglowego ich produktów.

W podsumowaniu można wyszczególnić kilka kluczowych cech omawianego inteligentnego narzędzia Energy-I-System:

• optymalizuje zużycie i koszt energii w procesie wytopu metalu, z wykorzystaniem algorytmów opartych na sztucznej inteligencji,
• jest rozwiązaniem w pełni autorskim, polskim i konkurencyjnym cenowo,
• jest narzędziem dedykowanym dla odlewni, pozwalającym na zwrot nakładów po okresie krótszym niż rok (w zależności od sytuacji zastanej ROI = 1,5…2),
• jest pozytywnie zweryfikowane w zakładzie produkcyjnym, co zostało potwierdzone publikacjami w pismach naukowych i branżowych,
• dysponuje pełnym wsparciem technicznym w języku polskim.

Numer projektu : FENG.01.01-IP.02-2627/23

Projekt pn. „Inteligentny system Opti-Carbon, minimalizacji śladu węglowego w odlewniach żeliwa.”  współfinansowany ze środków Unii Europejskiej