Durch Digitalisierung können Informationen so miteinander verknüpft werden, dass ein Mehrwert entsteht. Dieser Mehrwert kann darin bestehen, Zusammenhänge aufzudecken, Regelungen in Produktionsprozessen zu optimieren oder das Engineering von Anlagen zu vereinfachen. Und explizit für die Vereinfachung und Beschleunigung des Engineerings besteht eine große Notwendigkeit: Müssen produzierende Unternehmen kurzfristig ihre Produkteigenschaften anpassen, um auf Marktveränderungen zu reagieren, bedeutet das schlussendlich auch, dass sie ihre Produktionsanlagen umbauen müssen, um das neue Produkt herstellen zu können. Und dazu bleibt ihnen in der Regel nicht viel Zeit.
Nimmt man heutige Produktionssysteme unter die Lupe, stellt man schnell fest, dass sie für die Anforderung eines raschen Umbaus nicht ausgelegt sind. Einfach weil Eigenschaften wie Mobilität, Skalierbarkeit, Universalität, Kompatibilität und insbesondere Modularität im Rahmen der initialen Anlagenplanung nicht beachtet wurden.
Kernforderung ist die Modularität
Eine Kernforderung wandlungsfähiger Produktionssysteme ist die Modularität. Aus gutem Grund: Die Möglichkeiten, die sich durch das „Zerschneiden“ heutiger monolithischer Anlagen in Module ergeben, sind vielfältig: Sie erlauben die einfache Anpassung der Produktionsmenge, die Verlagerung einzelner Module oder die Durchführung von Tests, das Einfahren und die Abnahme am F&E-Standort, um die Anlage dann an den eigentlichen Produktionsstandort zu versenden – ohne entsprechend geschulte Ingenieure am Produktionsstandort vorhalten zu müssen.
Modularität kommt immer dort zum Einsatz, wo Komplexität reduziert werden soll. Sinnvollerweise entspricht ein Anlagenmodul immer einer produktionstechnischen Funktion. Um die modularen Einzelfunktionen wieder zu einer Gesamtlösung integrieren zu können, müssen die Module mit ihren „Inseln geringerer Komplexität“ geeignet beschrieben werden. Diese Beschreibung muss die Funktion, die Fähigkeiten und die Verfügbarkeit eines Moduls umfassen. Im Sprachgebrauch von Industrie 4.0 sind diese Beschreibungen die „virtuellen Zwillinge“. In Verbindung mit der Hardware, die sie beschreiben, bilden sie sogenannte Cyber-Physische-Systeme (CPS). Vereinfacht sind Cyber-Physische-Systeme also heute bekannte Geräte, Apparate oder kombinierte Produktionssysteme (Physische Eigenschaft), die gleichzeitig über eine virtuelle Repräsentanz (Cyber-Eigenschaft) beschrieben werden. Mehrere Repräsentanzen, oft auch als Verwaltungsschalen oder Asset Administration Shells (AAS) bezeichnet, können dann miteinander vernetzt werden, um auf einem digitalen Marktplatz miteinander verglichen und zu verschiedenen wertschöpfenden Prozessen kombiniert zu werden – zunächst virtuell, später real.
Automatisierung modularer Anlagen
Im Idealfall sollte das virtuelle Abbild (AAS) der Produktionsanlage immer der physischen Wirklichkeit entsprechen – auch innerhalb des Prozessleitsystems. Kommt ein neues Modul hinzu, sollte dies ohne zusätzlichen Programmieraufwand im Prozessleitsystem abzubilden und sofort nutzbar sein – ganz im Sinne eines Plug-and-Produce. Keine Frage: Eine solche Anlagenarchitektur erfordert einen neuen Ansatz für die Automatisierung von Anlagen – nämlich den einer dezentralen Verarbeitungsintelligenz. Diesem Ansatz hat sich Wago zusammen mit der TU Dresden und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg gewidmet und im November 2014 Dima (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen) präsentiert.
Dima verlagert große Teile der Steuerungs- und Regelungsintelligenz in die Module. Diese stellen ihre intendierte Funktion als Dienst zur Verfügung, welcher durch andere Kommunikationsteilnehmer über eine vereinheitlichte Schnittstelle abgerufen werden kann. Die Bedienung eines Moduls erfolgt nach wie vor durch Bedienbilder. Dazu werden auch die Bedienbilder so beschrieben, dass sie in beliebigen Zielsystemen automatisch erzeugt werden können.
MTP-Ansatz einer Verwaltungsschale
Der Vorgang der Bekanntgabe der Dienste und Bedienbilder basiert nicht auf proprietären Lösungen, sondern auf einer neuen Beschreibungsmethodik – dem Module Type Package (MTP). Es dient als digitale Beschreibung eines Anlagenmoduls und beinhaltet alle Informationen, die zur Einbindung des Moduls in die Anlage und zu seiner Bedienung erforderlich sind. Die Modellierung dieser Fähigkeitsbeschreibung ist der Kern von Dima. Die Prozessfunktion des Moduls (wie zum Beispiel das Reagieren eines Reaktormoduls) wird in Form eines Services oder Dienstes, also einer geschlossenen Funktion modelliert, die lediglich über seine standardisierte Schnittstelle angesprochen wird. Die Prozessführungsebene wird damit zum Dienstenutzer. Die Orchestrierung der Dienste aller an den Backbone angeschlossenen und durch einen MTP bekanntgemachten Module, erfolgt im Engineering-Werkzeug der Prozessführungsebene. Die Abarbeitung des für diese Dienstleistung erforderlichen Programmcodes erfolgt allerdings im Modul.
Als digitale Visitenkarte eines Anlagenmoduls ist das Module Type Package (MTP) ein erster Ansatz zur Realisierung des virtuellen Repräsentanten im Informationsnetz. Es repräsentiert schon heute die Funktionen des Anlagemoduls und verwaltet diese in der Architektur der gesamten Anlage. Das MTP ist somit ein erster realer Baustein, Industrie-4.0-Anforderungen zu lösen.
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Autor Thomas Holm
Head of Innovation & Technology, Wago
