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Modularisieren von Prozessanlagen

Geringerer Anlagenstillstand und reduzierte Engineering-Kosten
Modularisieren von Prozessanlagen

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In der Prozessautomation erweisen sich Flexibilität und die Wiederverwendbarkeit einmal erstellter Anwendungen als wichtige Trends. Praktische Beispiele haben bereits gezeigt, dass sich derartige Anforderungen durch das Modularisieren von Prozessanlagen umsetzen lassen. Die Grundlagen für solche modularen Anlagen sind 2013 mit der Namur-Empfehlung NE 148 gelegt worden.

Seit nunmehr sieben Jahren befassen sich verschiedene Unternehmen mit der Aufgabe, den Datenaustausch zwischen den einzelnen Anlagenmodulen wie Abfüll-, Etikettier- und Verpackungsanlagen zu standardisieren, um deren Zusammenschaltung zu einer Automatisierungsanlage zu vereinfachen. Zu diesem Zweck wurden von der Namur und dem Zentralverband Elektrotechnik und Elektroindustrie (ZVEI) Arbeitskreise gebildet, die die Normblätter VDI/VDE 2656-1, -2 und -3 erstellt haben. Diese handeln von allgemeinen Konzepten, der Modellierung der HMI (Human Machine Interface) sowie einer Bibliothek von Datenobjekten für das automatische Engineering modularer Anlagen in der Prozessindustrie. In der nächsten Zeit werden die Gründruckversionen weiterer Normblätter als Ergebnis des fachlichen Erfahrungsaustausches erscheinen. Insgesamt sind zwölf Themenbereiche geplant. Betreiber von Prozessanlagen haben schon ihre Bereitschaft signalisiert, die neuen Ansätze in der Praxis auszuprobieren. Phoenix Contact war eines der ersten Unternehmen, das Pilotanlagen gemäß den neusten Normen automatisiert hat.

Von der Steuerung zu PEA und POL

Bei der Vorgehensweise muss jedoch ein Umdenken stattfinden. Jetzt wird nicht mehr in Steuerungen und Prozessleitsystemen gedacht, sondern in Process Equipment Assemblies (PEAs) und Process Orchestration Layer (POL). Das PEA-Modul setzt sich aus unterschiedlichen Sensoren und Aktoren zusammen. In den PEA-Modulen können die Aktoren entweder manuell oder automatisch bedient werden. Dazu werden die im Normblatt VDI/VDE 2656-3 beschriebenen Datenstrukturen herangezogen. Das Normblatt legt zudem fest, wie ein SPS-Programm auszusehen hat, die Aggregate anzusteuern sind, Messstellen ausgelesen werden und welche Zusatzparameter die Messstellen neben dem Realwert mitliefern müssen. Die Ansteuerung der Aktoren findet über ein ausgeklügeltes System von Statusmaschinen und Einstellmöglichkeiten statt. Da die Aktoren verriegelt werden können, sind dafür ebenfalls Schnittstellen vorgesehen.

Es kann jedoch sein, dass sich die Aktoren nicht über analoge und digitale E/A-Module oder gängige Ethernet- bzw. serielle Protokolle ansprechen lassen, sondern über proprietäre Lösungen. Bei der offenen Automatisierungsplattform PLCnext Technology löst der Anwender diese Aufgabe unter anderem durch die Einbindung von in Hochsprache geschriebenen Funktionsblöcken. Daraus ergeben sich auch beim Modularisieren bestehender Anlagenteile Vorteile. Die Modulvisualisierung wird aus dem R&I-Diagramm abgeleitet. Phoenix Contact bietet hier eine Bibliothek mit Visualisierungsobjekten an, die mit den standardisierten Schnittstellen verknüpft werden können. Die Visualisierungsobjekte verfügen über eine Benutzerverwaltung, damit sich die sicherheitsrelevanten Einstellungen nicht von jedem Mitarbeiter, sondern nur vom autorisierten Personal durchführen lassen. Die in die PLCnext-Steuerung integrierte Webvisualisierung kann über einen Webbrowser oder ein Web-Panel eingesehen werden.

Beschreibungsdatei auf Knopfdruck

Das R&I-Diagramm wird ferner als Grundlage für das automatisierte Erstellen von Projektrümpfen im MTP-Designer genutzt. Mit dem Engineering-Tool MTP-Designer für Module stellt Phoenix Contact eine alternative Vorgehensweise zur Verfügung, die zusätzlich Zeit spart. Dazu wird die Modulfunktion in Services aufgeteilt. Die Services umfassen eine auf der Norm ISA-88 basierende Statusmaschine, die alle möglichen Regelbetrieb- und Fehlerzustände abbildet. Diese Zustände müssen von einem Automatisierungsingenieur ausprogrammiert werden, um für den sicheren Betrieb der Anlage zu sorgen. An dieser Stelle kommt das eigene Know-how des Modulherstellers zum Tragen.

Die für den Service benötigten Aktoren werden in der Regel gesperrt und im Automatikbetrieb gefahren. Es ist sinnvoll, die Aggregate nur einem Service zuzuordnen. Die Services lassen sich über die Prozeduren spezifizieren und über die Parameter einstellen. Falls zum Beispiel eine bestimmte Durchflussmenge erreicht werden soll, wird eine Pumpe von einem PID-Regler gesteuert, der einen Service-Parameter als Sollwert erhält. Die PEAs sind mit sämtlichen Sensoren, Aktoren, der Visualisierung, den Services und deren Parametern in einer Exportdatei beschrieben. Beim Format der Beschreibungsdatei handelt es sich um MTP (Module Type Package), das auf dem XML-Datenformat AML (Automation Markup Language) basiert. Die Datei beinhaltet alle nützlichen Informationen, die für die Dateneinbindung in einen POL erforderlich sind. Durch die formalisierte Beschreibung per MTP-Datei wird ein mobiles Automatisierungsmodul geschaffen, das einfach und flexibel in die Prozessanlagen integriert werden kann. Datenpunkte müssen nicht mehr händisch angelegt und mit den Visualisierungsobjekten verbunden werden. Das erfolgt jetzt automatisch beim Dateiimport. Mit dem MTP-Designer wird aus den R&I-Schemata der Verfahrenstechniker bereits in der Konzeptphase auf Knopfdruck die MTP-Beschreibungsdatei generiert. Modul- und Anlagen-Engineering können somit parallel ablaufen, was zu Vorteilen wie der Verringerung der Engineering-Kosten und Reduzierung des Time-to-Market führt.

Austausch ohne längeren Stillstand

Die Prozessanlagen werden nun nicht mehr geleitet, sondern orchestriert. Der POL legt fest, welcher Service seinen Durchlauf beendet und welcher Service anschließend beginnt. Dieser Ablauf wird über die Logik gesteuert, die in einer Schrittkette zusammengefasst ist. Die Module werden lediglich über Servicezustände und -parameter orchestriert. Der Anlagenfahrer kann den Status der Services einfach überwachen. Außerdem lassen sich die Aktoren nach wie vor während der Inbetriebnahme manuell schalten. Die Modulvisualisierung wird mit sämtlichen Datenverknüpfungen mit der MTP-Datei importiert und benötigt gegebenenfalls nur geringe Anpassungen.

Als Schnittstelle für den Datenaustausch kommt OPC-UA zum Einsatz. Deshalb stellt es kein Problem dar, wenn in einer Anlage Module kombiniert werden, die mit der Steuerungstechnik verschiedener Hersteller automatisiert sind. Der Anlagenbetreiber soll sich nicht mit unterschiedlichen SPS-Typen beschäftigen. Er erwirbt letztendlich die notwendigen Funktionen und kann sich auf die Prozesse konzentrieren. Wo früher jedes Anlagenteil meist ein Einzelstück war, wird heute von Anlagenmodulen gesprochen, die einfach ausgetauscht und skaliert werden können, ohne einen erheblichen Anlagenstillstand zu verursachen.

Bereits in der Anwendung erprobt

Die Modularisierung von Prozessanlagen eröffnet deutliche Vorteile, die sowohl Modulbauer als auch Anlagenbetreiber erkannt haben. In realen Pilotprojekten ist schon ein Proof-of-Concept erbracht worden. Darüber hinaus haben sich Lücken und Schwachstellen in den Gründruck-Ständen weiterer Normblätter gezeigt. Diese Erkenntnisse wurden als Einsprüche in die Arbeitskreise zurückgespielt, um entsprechende Verbesserungen vorzunehmen.

Phoenix Contact Gmbh & Co. KG, Blomberg


Autor: Oleg Makarov

Mitarbeiter im System
Management Process,

Phoenix Contact

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