Die Technologie für eine energieneutrale Zukunft existiert bereits. Jetzt muss sie nur noch im großen Maßstab hergestellt werden.

Herausforderung

Um seine bahnbrechende Fotovoltaik-Technologie in großem Maßstab herzustellen, hat Heliatek eine einzigartige Rolle-zu-Rolle-Produktionsumgebung mit hochmodernen, maßgeschneiderten Fertigungsgeräten entwickelt. Da es keine für diese Aufgabe geeignete kommerzielle Standardsoftware gab, mussten die Ingenieure des Unternehmens ein maßgeschneidertes Live-Prozessüberwachungssystem zur Erkennung von Abweichungen und potenziellen Fehlern entwickeln.

Lösung

Auf der Suche nach einer multifunktionalen Statistiksoftware entschied sich Heliatek für eine JMP-Lizenz, da diese Software sowohl benutzerfreundliche visuelle Werkzeuge für die schnelle Untersuchung von Daten als auch ausgefeilte Statistikplattformen für erweiterte Analysen bietet. Bei Heliatek wird die Graph Builder-Funktion in JMP als entscheidender Teil der Datenuntersuchung angesehen, die das Unternehmen benötigt, um sein Prozesswissen im Zuge der Ausweitung des Fertigungsbetriebs zu vertiefen.

Ergebnisse

Ein in JMP entwickeltes, speziell gescriptetes Dashboard verwendet ein automatisiertes Warnsystem, damit die Fertigungsmitarbeiter von Heliatek schneller reagieren können, wenn Prozesse die Spezifikationen überschreiten. Experten für Prozessintegration schätzen, dass allein das Alarm-Dashboard den Ertrag in der Pilotproduktion um ganze 5 % verbessert hat.

Der Klimawandel ist vielleicht die dringendste Herausforderung, mit der die Welt heute konfrontiert ist. Im Mittelpunkt der Handlungspläne der Vereinten Nationen steht die Verpflichtung, die weltweite Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beenden und auf nachhaltige Energielösungen umzusteigen. Es besteht seit Langem ein internationaler wissenschaftlicher Konsens darüber, dass die Bemühungen zur Verringerung der mittlerweile alarmierenden Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre nur dann erfolgreich sein werden, wenn sie mit einer entsprechenden Anpassung kombiniert werden; Behörden, Unternehmen und Privatpersonen auf der ganzen Welt müssen auf nachhaltige Energie umsteigen. Glücklicherweise machen aufkommende Innovationen diese Anpassung einfacher.

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 eine für verschiedene Architekturen (z. B. vertikal) optimierte Solaranlage erfüllt. Heliatek wurde 2006 als Spin-off der Technischen Universität Dresden und der Universität Ulm gegründet, erhielt 2011 den renommierten Deutschen Zukunftspreis und wurde 2015 vom Weltwirtschaftsforum als „Technology Pioneer“ (Technologievorreiter) ausgezeichnet.

HeliaSol, die wichtigste Innovation von Heliatek, ist eine ungiftige, ultraleichte und ultraflexible Solarfolie, die zum Abdecken von gekrümmten und unregelmäßigen Oberflächen geeignet ist. „Der Unterschied zu herkömmlicher Fotovoltaik besteht darin, dass [HeliaSol] Marktsegmente abdecken kann, die von herkömmlicher Fotovoltaik nicht abgedeckt werden – insbesondere wegen der Traglast von Gebäuden“, erklärt Process Integration Engineer Torsten Weber. Mit einer Dicke von weniger als 1 mm ermöglicht HeliaSol den Architekten, die gesamte Oberfläche einer Struktur für die Erzeugung von Solarenergie zu nutzen. Durch diese Designinnovation wird die Energieneutralität in der städtischen Bebauung leichter erreichbar.

Von der Pilotproduktion zur Produktion im großen Maßstab

Weber, der 2017 seine Tätigkeit bei Heliatek aufnahm, ist Teil eines Teams, das für die Optimierung des Ertragsprozesses in der Pilot- und Massenproduktionsanlage des Unternehmens verantwortlich ist. Das Jahr 2020 markiert den ersten Meilenstein des Unternehmens bei der Markteinführung der Produktion im industriellen Maßstab. Weber sagt, dass der Technologietransfer in der maßgeschneiderten Rolle-zu-Rolle-Produktionsumgebung einige einzigartige Herausforderungen mit sich gebracht hat.

„Unser Produkt ist wirklich neu und innovativ“, erklärt Weber. „Das bedeutet, dass unsere Maschinen ebenfalls einzigartig und anspruchsvoll zu bauen sind. Daher sind unsere Dateneingabe und Datenströme stark individualisiert.“ Während bei Standardgeräten bereits ein gewisses Prozesswissen und Erwartungen an die statistische Prozesskontrolle (SPC) vorhanden sind, beginnen Weber und seine Kollegen mit dem Aufbau von Prozesswissen bei null, indem sie die Produktion über mehrere Prozess- und Maschinenparameter aus verschiedenen Quellen in der Anlage überwachen.

Die Etablierung einer SPC für eine individuelle Produktionsumgebung beginnt mit einer messtechnischen Erfassung aller Messungen, die von den Geräten durchgeführt werden, erklärt Weber. Erste Überlegungen zu den Warngrenzen der Anlage mussten durch eine Kombination von Basisdurchläufen und Versuchen verifiziert werden. Die Datenausgaben wurden dann so angepasst, dass die für eine gute SPC erforderlichen Daten generiert und gleichzeitig unbrauchbare Daten, die nur Speicherressourcen verschwenden würden, verworfen wurden.

Eine effiziente Datenstrategie, so Weber, stützt sich nicht nur auf eine optimale Datenerfassung, sondern auch auf die sorgfältige Protokollierung von Abweichungen. Aus Misserfolgen zu lernen ist ein wichtiger Teil der Prozessverbesserung und jedes außer Kontrolle geratene Ereignis gibt dem Team die Möglichkeit, mehr Informationen über die Prozessgrenzen zu gewinnen. Aber die Ausführung von Prozessen außerhalb der Spezifikationen kann den Vermarktungsprozess verlangsamen und die Ausschusskosten in die Höhe treiben, weshalb es unerlässlich ist, Abweichungen umgehend zu erkennen und zu korrigieren. Um die Reaktionszeiten zu verbessern, wurde eine bessere Lösung benötigt.

Aus diesem Grund hat Weber ein benutzerdefiniertes Alarm-Dashboard in JMP® erstellt.

Ein speziell entwickeltes Alarmwerkzeug hilft dem Bediener, schnell auf außer Kontrolle geratene Prozesse zu reagieren

In Anlehnung an einen traditionellen Alarmschaltkreis verwendete Weber die JMP Scripting Language (JSL), um ein maßgeschneidertes Dashboard für die Produktionsstätte von Heliatek zu erstellen, das die Bediener schnell alarmiert, wenn die Prozessabscheidungsraten die Spezifikationen innerhalb eines festgelegten Zeitrahmens überschreiten. „Es ist ähnlich wie eine Alarmzentrale, nur ohne die ganzen kleinen roten und grünen Knöpfe“, erklärt er. „Und dazu kommt der Vorteil, dass Sie die statistischen Methoden von JMP schnell anwenden 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 sind. Das Dashboard zeigt mehrere Prozessparameter auf einmal an, die wie bei einer Ampel farbcodiert sind, um anzuzeigen, wie gut die Prozesse ablaufen. Die Daten werden in einer kontinuierlichen Schleife aktualisiert, sodass zu jedem Zeitpunkt ein kurzer Blick dabei helfen kann, Probleme zu diagnostizieren oder vorauszusehen.

Da viel beschäftigte Bediener jedoch nicht immer auf das Dashboard schauen werden, ist eine wichtige Funktion des Systems die Möglichkeit, automatische Warnmeldungen in Form einer E-Mail zu generieren. Wenn ein Parameter rot wird, also ein Grenzwert überschritten wurde, sendet das System automatisch eine E-Mail an eine Liste von Personen – Bediener, Schichtleiter und Ingenieure. Darüber hinaus führt eine Alternative zur JSL-„Mail()“-Funktion den Mailtransfer über den internen SMTP-Server aus.

Mit unkomplizierten Skripten in JMP kann Weber die Einstellungen des Dashboards mühelos anpassen, um Regeln und Ausnahmen für das Warnsystem zu erstellen. Die grafische Oberfläche und die integrierte Datenvisualisierungsfunktion der JMP-Software sind nicht nur für das Dashboard selbst entscheidend, sondern auch für die Fähigkeit des Prozessintegrationsteams, Ereignisse außerhalb der Spezifikation zu untersuchen und aus ihnen zu lernen. Darüber hinaus können Graphen über ein angepasstes HTML-Skript sogar mit Nicht-JMP-Benutzern geteilt werden, was auch bei der Überwindung von Ladeproblemen und automatisch neu ladenden Add-ins hilft.

Verbesserung des Ertrags um 1–5 % in der Pilotproduktion

Seit seiner Einführung hat das Alarm-Dashboard von Weber die Reaktionszeit der Bediener auf außer Kontrolle geratene Prozesse drastisch verkürzt. Je schneller die Bediener einen Alarm erhalten, desto schneller können sie Mitarbeiter versammeln, um eine Lösung zu finden, sagt er; und das wirkt sich auf die Verbesserung des Ertrags und die Reduzierung des Ausschusses aus.

„Die Alarmzentrale hat den Ertrag in unserer Pilotproduktion wahrscheinlich um 1 bis 5 % verbessert“, sagt er. „Es hängt von der Aufgabe ab, aber basierend auf einer Reihe von Versuchen und Einzelversuchen halte ich 1 bis 5 % für eine enorme Verbesserung.“

Diesen Erfolg führt er nicht zuletzt auf die intuitive Visualisierung zurück: „Mit unserer Alarmzentrale sieht man schnell, wenn ein Parameter außer Kontrolle geraten ist. Und selbst wenn Sie mehrere Parameter haben, ist es immer noch sehr einfach, nicht nur mit der Alarmzentrale, sondern auch was den Graph Builder angeht.“

„Wir verwenden den Graph Builder sowohl für die Alarmzentrale als auch für andere Daten, die wir analysieren möchten, um einen schnellen Überblick über Korrelationen oder Verteilungen zu erhalten.“ Es ist das, was Weber als „Quick-and-Dirty-Datenvisualisierung“ bezeichnet; Daten-Crunching und explorative Analysen tragen dazu bei, ein tieferes Verständnis für den Prozess und die Interaktion mit verschiedenen Parametern zu entwickeln.

JMP® ist eine zentrale Anlaufstelle für Datenvisualisierung und erweiterte Analysen

Die interaktive, benutzerfreundliche Visualisierung war einer der Hauptgründe für die Entscheidung von Weber, überhaupt eine Lizenz für JMP zu erwerben. Weber sagt: „Wir suchten nach einer Analyse-Software, die die meisten Personen hier [bei Heliatek] nutzen können.“

Während andere Pakete grafische Funktionen bieten und mithilfe von Open-Source-Programmiersprachen ein benutzerdefiniertes Dashboard hätte erstellt werden können, war das Schöne an JMP, dass damit beides möglich war. Und obwohl Webers Team noch nicht an einem Punkt in der Laufzeit der Anlage angekommen ist, an dem eine Versuchsplanung (DOE) sinnvoll ist, geht Weber nach eigener Aussage davon aus, diese Funktion sehr bald einzusetzen.

„JMP ist eine wirklich attraktive und benutzerfreundliche Software, die zudem über interessante Funktionen wie DOE und alle anderen statistischen Analysen verfügt, die ich benötigen könnte“, sagt er. „Dieses Werkzeug zu haben – und auch in diesem Werkzeug programmieren zu können – ist großartig. In JMP haben Sie eine Software, mit der Sie die Daten analysieren und auch einige Ihrer eigenen Anwendungen mit Skripten erstellen können. Mit JSL können Sie schnell jede Menge lernen.“

Weichenstellung für Deep-Learning-Anwendungen

Da Datenströme und Fertigungssysteme zunehmend automatisiert werden, erwartet Weber laut eigener Aussage, dass Dashboards und Datenvisualisierungen in kontinuierlichen Schleifen eine noch größere Rolle spielen werden. In einiger Zeit wird Heliatek weitere Datenprozesse ganz oder teilweise automatisieren und ein digitalisiertes System könnte Algorithmen nutzen, um zu lernen und auf Warnmeldungen bei außer Kontrolle geratenen Ereignissen zu reagieren.

„Es wird eine unendliche Geschichte der Optimierung sein“, sagt Weber. Und das ist gut so: Kontinuierliche Innovationszyklen bei Vorreiterunternehmen wie Heliatek tragen zur Lösung der Klimakrise bei. Mit steigender Produktion seiner organischen Solarfolie können immer mehr Gebäude vollständig energieneutral werden.