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Modulare Anlagen auf dem Vormarsch

Neue Automatisierungskonzepte für die Prozessindustrie
Modulare Anlagen auf dem Vormarsch

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Nur mit wandlungsfähigen, modularen Anlagen kann die Prozessindustrie schnell genug auf die sich ändernden Marktanforderungen reagieren. Klassische prozesstechnische Anlagen sind hierfür zu unflexibel und damit zu teuer. Zur Umsetzung eines modularen Anlagenbaus fehlt es derzeit aber noch an technischen Lösungen für die Automatisierung dieser Anlagen. Somit ist die Innovationskraft der Automatisierer gefordert. Denn sie dürfen nicht zum Hemmschuh bei der Realisierung neuer Anlagenkonzepte werden.

Für die Prozessindustrie spielen Themen wie Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung eine zunehmend wichtige Rolle. Insbesondere die chemisch-pharmazeutische Industrie entwickelt daher Modularisierungskonzepte für ihre Prozessanlagen. Neben verkürzten Produkteinführungszeiten will man so die Flexibilität der Prozessanlagen steigern. Untersuchungen zeigen, dass die Modularisierung von Prozessen möglich ist und gewinnbringend für die chemische Industrie sein kann; ein Beispiel ist das öffentlich geförderte EU-Projekt f3 Factory (flexible, fast, future). Dass eine modulare Automatisierungstechnik in Sachen Anlagenflexibilität Vorteile gegenüber einer konventionellen Automatisierung hat, zeigen verschiedene Studien von Automatisierungstechnikherstellern. Mit dem Dima-Konzept wird der Spezialist für elektrische Verbindungstechnik und Automatisierung Wago hierbei zu einem der Vorreiter. Dima steht für „Dezentrale Intelligenz für modulare Anlagen“ und viele Experten glauben, dass dieser Ansatz den verfahrenstechnischen Anlagenbau revolutionieren kann. „Auf der Namur-Sitzung 2014 zeigte die Firma Wago das erste Mal den Prototypen eines Engineering-Systems für modulare Anlagen. Basierend auf diesem Ansatz haben sich unterschiedliche Arbeitskreise der Namur und der Arbeitskreis (AK) „modulare Automatisierung“ des ZVEI zusammengetan, um gemeinsam eine herstellerneutrale Beschreibung von Modulfunktionalitäten, das Modul Type Package (MTP), zu definieren“, berichtet Dr. Jens Bernshausen von der Invite GmbH in Leverkusen und Sprecher des AK 1.12 „Automatisierung modularer Anlagen“ der Namur. Denn nur mit einer einheitlichen Beschreibung sei eine Integration von Prozessmodulen über Herstellergrenzen hinweg möglich. Die Ergebnisse aus diesem Kreis werden laut Bernshausen auf der diesjährigen Namur-Hauptsitzung präsentiert.

Flexibilisierung der Produktionsanlagen
Die Gründe für die Automatisierung modularer Anlagen in der chemischen Industrie und damit auch die Nutzenpotenziale für den Anwender sind laut Dr. Eckhard Roos, bei Festo, vielfältig. „Diese reichen von einer Flexibilisierung der Produktionsanlagen durch den schnellen Austausch von einzelnen verfahrenstechnischen Modulen, über einfache Kapazitätserweiterungen der Produktion für steigende Nachfragen im Markt, bis hin zu einer Verringerung der Komplexität von Produktionsanlagen bei Engineering, Inbetriebnahme und Instandhaltung“, erklärt der Leiter Process Automation Management bei Festo. Dadurch erwarte man Produktivitätsschübe in allen Phasen des Lebenszyklus von Produktionsanlagen. Gleichzeitig seien jedoch die Anforderungen an Automatisierungssysteme neu. Dr. Roos: „Das heißt, es geht weg von einem zentralen Prozessleitsystem hin zu intelligenten Modulen mit eigenen Automatisierungsfunktionen und Steuerungen.“ Das Konzept sehe vor, dass die Automatisierungsfunktion durch den Modulhersteller bereitgestellt wird mit eigener Hardware und dass der Modulhersteller statische Strukturinformationen zur Darstellung des Moduls im überlagerten HMI mitliefert. „Die Leitebene muss natürlich alle Module überwachen und auch die Bedienung der Module sollte möglich sein“, so der promovierte Ingenieur.
Und damit wird auch die Komplexität der Aufgabe klar, denn der Modulhersteller soll keine Vorgaben bekommen in Bezug auf zu verwendende Hardware und die Art der Darstellungen zum Beispiel von Messwerten in der Visualisierungsebene, der Anwender möchte natürlich die Darstellung von Messwerten in der Visualisierungsebene harmonisiert haben. Für Stephan Weidenfeller, Strategic Business Development Manager CEE bei Schneider Electric, gehören modulare Anlagenkonzepte in der Prozessindustrie mittlerweile zum A und O. „Anwender wollen generell schneller auf sich ändernde Marktbedingungen reagieren können – gerade wenn sie noch ausbauen oder hochskalieren wollen“, verdeutlicht er. Dies erfordere vor allem die Standardisierung der Schnittstellen zwischen den verschiedenen Automatisierungsmodulen.
Numbering-up statt Scale-up
Was genau muss man nun unter modularen Prozessanlagen verstehen und wie ordnet sich die Automatisierungstechnik in diesen Kontext ein? Es geht den Unternehmen der Prozessindustrie um ein verändertes Anlagendesign, das sich letztendlich hin zu modulbasierter Produktion entwickelt. Bei diesem Produktionskonzept wird die Kapazitätserhöhung der Anlagen nicht mehr durch den Bau kompletter, großer Anlagen, dem sogenannten Scale-up, verfolgt. Im Trend liegt das Betreiben bestehender Anlagen nach einem flexiblen Baukastensystem. Dahinter steckt das Konzept des sogenannten Numbering-up. Das Ziel von Numbering-up der Anlagen ist die Steigerung der Produktionsflexibilität durch parallel arbeitende Prozessanlagen, die nach dem Baukastensystem zugefügt oder entfernt werden können. Dabei steigt die Bedeutung für intelligente Automatisierungstechnik, denn sie unterstützt die Umsetzung dieses flexiblen Anlagenkonzepts.
Wie bedeutend das Thema für die Branche ist, zeigen die bereits erwähnten Aktivitäten der Verbände Namur und ZVEI. So hat letzterer das Whitepaper „Modulbasierte Produktion in der Prozessindustrie – Auswirkungen auf die Automation im Umfeld von Industrie 4.0“ herausgegeben und einen Arbeitskreis „Modulare Automation“ ins Leben gerufen. Und hierbei arbeitet man intensiv mit der Namur zusammen, die ebenfalls einen Arbeitskreis „Automatisierung modularer Anlagen“ hat. Dieser beschäftigt sich im Rahmen eines Erfahrungsaustausches von Konzeptentwicklungen, der Formulierung von Anforderungen an Automatisierungslösungen und der Beteiligung an der nationalen und internationalen Normung unter anderem mit einer Vielzahl an Themen. Dazu zählen beispielsweise die Beschreibung der Anforderungen an die Automatisierungstechnik für modulare Anlagen aus Sicht der Namur, die Darstellung der Chancen, des Nutzens und des Aufwands einer Modularisierung aus Sicht der Automatisierungstechnik, die Untersuchung zum Stand der Technik mit Augenmerk auf fehlende oder zu erweiternde Bausteine hinsichtlich einer vollen Modularität sowie die Beschreibung einer Roadmap der notwendigen Entwicklungsschritte aus Sicht der Anwender im Bereich Automatisierungstechnik. Thematisiert werden dort auch die Positionierung der Namur hinsichtlich eines sinnvollen Maßes von Modularisierung der Automatisierung modularer Anlagen sowie die Förderung herstellerübergreifender Standards für die Modularisierung von Automatisierungssystemen und deren Schnittstellen. Beide Verbände stellen aus dieser Arbeit Anforderungen (Namur Empfehlung NE 148) an beziehungsweise geben Empfehlungen für die Automatisierungstechnik bei modulbasierter Produktion und leiten daraus verschiedene Thesen ab.
Intelligente Module flexibel integrieren
Basierend auf der NE 148 hat Wago mit seinem Dima-Konzept eine Lösung für die modulare Automation mit dezentralen Intelligenzen vorgestellt. Die wesentlichen Anwendernutzen liegen dem Automatisierungsspezialisten zufolge in der offenen Architektur des Systems. Auf diese Weise können intelligente Module im laufenden System flexibel integriert oder abgekoppelt werden. Ein weiterer Anwendernutzen ist das kostengünstige Engineering der Gesamtanlage. Dazu erfolgt die Kommunikation zwischen der übergeordneten Leitebene und dem dezentralen Modul über eine herstellerneutrale Semantik.
Welche weiteren Vorteile bietet die modulare Automatisierungstechnik gegenüber einer konventionellen Automatisierung und was unterscheidet die beiden Ansätze? „Wenn wir über konventionell automatisierte Anlagen sprechen, müssen wir zunächst die Unterscheidung zwischen vollständig integrierter Automation und der konventionellen Integration von Package Units in ein Prozessleitsystem machen“, macht Bernshausen deutlich. Bei der vollständig integrierten Lösung seien alle prozessnahen Komponenten in ein zentrales Automatisierungssystem eingebunden. Der Operator habe Vollzugriff auf die Anlage. Gleichzeitig bedeute dies natürlich einen hohen Integrations- und Inbetriebnahmeaufwand nicht nur bei Erstinbetriebnahme, sondern auch bei nachträglichen Änderungen. „Die Integration von PUs, also dezentral automatisierten Komponenten mit einer proprietären Schnittstelle zur Integration, ermöglicht hier eine flexiblere Lösung“, verdeutlicht der Fachmann und fährt fort: „Leider verbietet dieser Ansatz den Zugriff auf die Feldebene.“ Die modulare Automatisierung versuche die Vorteile beider Ansätze zu kombinieren, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. „Die einzelnen Prozessmodule werden eigenständig automatisiert. Durch geeignete herstellerunabhängige Schnittstellen können diese dezentral automatisierten Einheiten in ein übergeordnetes Prozessführungssystem integriert werden, in welchem die Prozessmodule orchestriert werden“, erklärt er. Diese Schnittstellen würden zum einen eine variable Integrationstiefe, bis zum Vollzugriff auf das Modul, und zum anderen natürlich eine Kapselung der Modulfunktionalitäten ermöglichen. Dies führe zu einer Verringerung des Integrations- und Inbetriebnahmeaufwands und somit zu einer hohen Flexibilität.
Schwerpunkt liegt auf Algorithmen
Bei einem modularen Aufbau der Automatisierungstechnik liegt der Schwerpunkt auf verteilten Algorithmen in den Modulen und auf Vereinbarungen im Bereich der Modulschnittstellen“, erläutert Schneider-Electric-Experte Weidenfeller. Dies solle den Aufwand zum Aufbau einer Anlagenautomation verringern. „Bei einem klassisch-monolithischen Ansatz sind alle Details der Automatisierung immer zu konfigurieren“, nennt er den Unterschied dieses Konzeptes. Das bedeute mehr Aufwand, Zeit und Kosten. Festo-Manager Dr. Roos sieht den wesentlichen Unterschied zwischen den beiden Ansätzen darin, dass bei der modularen Automatisierungstechnik das verfahrenstechnische Modul die Automatisierungsfunktionen bereits beinhaltet. „Der Modullieferant liefert die erforderlichen Hardwarekomponenten und SoftwarefunktIonen mit und auch die erforderlichen Informationen, um das Modul inklusive der Messwerte in dem übergeordneten Bedien- und Beobachtungssystem möglichst automatisiert zu integrieren“, so Dr. Roos. Dadurch würden Projekte schneller realisierbar, wirtschaftlicher und die eigentliche Produktion flexibler durch die Möglichkeit, Modulwechsel schnell vorzunehmen.
Wertschöpfung verlagert sich
Die Vorteile liegen also auf der Hand, aber wie sieht es mit dem Aufwand der Modularisierung aus Sicht der Automatisierungstechnik aus und welchen Nutzen birgt sie? „Der Aufwand und damit auch die Wertschöpfung verlagern sich“, macht Dr. Eckhard Roos klar. Der Lieferumfang der Modulbauer erweitere sich um die Automatisierungskomponenten. Durch Standardisierung der Module, etwa auch in Bezug auf die physischen Abmessungen, ließen sich neben einer schnelleren Lieferfähigkeit Module auch auf Lager fertigen und damit Kostenvorteile durch Economy of Scale erzielen. „Die Integration mehrerer Module zu einer Produktionsanlage ist die eigentliche Aufgabe“, so Dr. Roos. Aber auch hier stünden mittlerweile mit OPC UA und Automation ML Werkzeuge zur Verfügung, die eine hochgradig automatisierte Erstellung der Bedien- und Beobachtungsebene ermöglichen würden und natürlich auch den Transfer der Echtzeitdaten von der Steuerung zur Visualisierung in der Produktionsphase. Sein Kollege Weidenfeller gibt sich hinsichtlich des Aufwands skeptisch: „Hier gibt es noch einige Punkte, die Arbeit erfordern. Bestehende Automatisierungsplattformen müssen ertüchtigt werden, um den Anforderungen der modularen Automation zu genügen.“ Mit derzeitigen Lösungen seien umfangreiche applikative Anpassungen erforderlich – dennoch würden die Ziele von modularer Automation nur teilweise erreicht. „Hier gibt es definitiv noch Verbesserungsbedarf“, so sein Fazit.
Wenn es um die Automatisierung modularer Anlagen und deren unternehmensübergreifende Vernetzung geht, spielen auch standardisierte, herstellerübergreifende Schnittstellen eine wichtige Rolle. Automatisierer und Prozessindustrie machen hier ihre Hausaufgaben. „Die Zusammenarbeit von Anwendern und Herstellern funktioniert bei diesem Thema in Deutschland sehr gut“, verdeutlicht Dr. Roos. Die Namur habe mit der NE 148 vorgelegt und der ZVEI habe einen Spiegel-AK gegründet, der Möglichkeiten der technischen Umsetzung diskutiert. Als Ergebnis wurde laut Roos bereits zu Beginn des letzten Jahres ein White Paper des ZVEI vorgestellt, das die technische Umsetzbarkeit beleuchtet. „Kurz gesagt: der ZVEI-AK hält die „Modulare Automation“ für machbar und technologisch umsetzbar“, so der Festo-Manager. Durch die Beteiligung aller namhaften deutschen Hersteller im Bereich Leitsysteme, Sensorik und Aktorik in diesem Kreis sei die Nutzung von Standards sichergestellt, proprietäre Lösungen würden vermieden werden. Auch Schneider Electric hält standardisierte, herstellerübergreifende Schnittstellen für wichtig. Weidenfeller: „Die Zusammenarbeit von Herstellern und Anwendern ist ein zentraler Punkt.“ Einzelne Hersteller würden momentan versuchen, ihre Lösungen als Standard zu etablieren. „Derzeit existieren verschiedene Ideen, aber es gibt noch keine vereinbarten Standards“, schränkt er ein. Auch die Namur sieht hier die Automatisierer gefordert. Insbesondere die Forderung nach standardisierten herstellerunabhängigen Schnittstellen verlangt laut Verbandsexperten die Zusammenarbeit aller Hersteller.
Noch fehlen technische Lösungen
Die Experten sind sich also einig, nur mit wandlungsfähigen, modularen Anlagen kann die Prozessindustrie schnell genug auf die sich ändernden Marktanforderungen reagieren. Zur konsequenten Umsetzung eines modularen Anlagenbaus fehlt es derzeit aber noch an technischen Lösungen für die Automatisierung modularer Anlagen. Wie weit sind die Automatisierungsbranche und Prozessindustrie hinsichtlich der technischen Umsetzung einer Automatisierung modularer Prozessanlagen nun wirklich? Für den Schneider-Electric-Experten Weidenfeller stehen die Branchen noch am Anfang hinsichtlich der technischen Umsetzung. „Der Grad modularer Automationskonzepte ist auf jeden Fall ausbaufähig“, ist er überzeugt. Es gebe vielversprechende Ansätze, aber es fehle eine allgemeinverbindliche Einigung auf herstellerunabhängige technologische Standards. „Nach wie vor gestaltet sich beispielsweise bei Package-Unit-Anlagen die Integration der einzelnen Anlagenmodule in die Leitebene der Anlage als sehr aufwendig“, nennt er ein Beispiel.
Umsetzung auf gutem Weg
Und auch Dr. Eckhard Roos sieht die technische Umsetzung auf einem guten Weg. „Die ZVEI- und die Namur-Mitgliedsunternehmen arbeiten hier eng zusammen. Im Rahmen eines gemeinsamen Arbeitskreises wurde eine Modellanlage mit wenigen Behältern inkl. Sensorik und Aktorik definiert, für die ein sogenanntes Module Type Package (MTP) – eine herstellerneutrale Modulbeschreibung – entwickelt wurde“, erklärt er. Dieses MTP werde als Information von den Modullieferanten zukünftig erwartet. Auf der diesjährigen Namur-Hauptsitzung werden dann laut Dr. Roos mehrere Hersteller zeigen, dass diese MTP-Informationen bereits in die jeweiligen Zielsysteme zur Bedien- und Beobachtung mit wenig Aufwand importiert werden können. Damit werde die Machbarkeit des Ansatzes des modularen Anlagenbaus gezeigt. Und dies sei gut, denn die Automatisierungstechnik darf hier nicht der Bremsklotz sein, der eine schnelle Umsetzung der neuen Form des Anlagenbaus ver- oder behindere.
Ein modularer Anlagenbau führt also zu vollkommen neuen Möglichkeiten bei der Gestaltung der gesamten Wertschöpfungskette. Dabei sprechen Experten wie Dr. Eckhard Roos von der Flexibilisierung der Produktion in Bezug auf Kapazität und Prozess. Aber auch im Bereich des Engineering und der Beschaffung ergeben sich neue Möglichkeiten. Durch die Standardisierung ist es zudem einfacher, Module global zu beschaffen und diese marktnah zu einer Produktionsanlage zu integrieren. „Anlagen in modularer Bauweise können Containerformat haben und beispielsweise bei neuen Verfahren am Standort eingefahren werden, wo das Verfahrens-Know-how des Anwenders sitzt“, verdeutlicht er. Durch die Transportfähigkeit der Anlagen könne dann nach dem Einfahren die Produktion weltweit einfach verlagert und entsprechend marktnah produziert werden, woraus wieder Vorteile in der Logistik entstünden. Für Jens Bernshausen bietet der Modulare Anlagebau nicht nur Vorteile für den Anlagebauer und -betreiber, der zukünftig seine Anlage aus einem wachsenden Portfolio an Prozessmodulen „zusammenstecken“ kann. „Auch die Wertschöpfungskette der Prozessmodulbauer, heutigen Anbietern von ‚Package Units‘ wird sich erheblich verändern“, ist er sich sicher. Der Modulhersteller werde zukünftig in der Lage sein, seine Module unabhängig der beim Anlagenbetreiber vorhandenen Automatisierungsinfrastruktur zu automatisieren. Somit reduziere sich auch hier der Engineering-Aufwand. Ferner ergebe sich durch die automatisierungstechnische Kapselung der Prozessmodule die Möglichkeit für den Modulhersteller, zusätzlich Wartungs- und Instandhaltungsverträge anzubieten.
Prozessindustrie im Wandel
Die Experten sind sich einig, die Prozessindustrie ist im Wandel. Die Produktlebenszyklen werden immer kürzer. Produktionsanlagen wie wir sie heute kennen, werden zukünftig nicht mehr rentabel sein. Durch die Modularisierung von Produktionsanlagen wird eine Flexibilität im Produktionsprozess erreicht und damit langfristig die weltweite Wettbewerbsfähigkeit der Branche gesichert.

Johannes Gillar
Freier Journalist

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