Time-to-Market im Fokus

Flexible chemische Produktion durch Modularisierung und Standardisierung

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Modulare Anlagen sind ein weltweiter Trend, um die Entwicklungs- und Produktzyklen in der chemischen und pharmazeutischen Industrie zu verkürzen. Heutige Produktionssysteme sind meist für die Anforderung eines raschen Umbaus nicht ausgelegt sind. Eigenschaften wie Mobilität, Skalierbarkeit, Universalität, Kompatibilität und insbesondere Modularität - eine Kernforderung wandlungsfähiger Produktionssysteme - sind im Rahmen der initialen Anlagenplanung nicht beachtet wurden.

Als Wirtschaftsstandort ist Deutschland wie kaum ein anderes westliches Land auf die industrielle Produktion ausgerichtet. Um auf die aktuell eruptierenden Vorgänge vorbereitet zu, steht die Digitalisierung der Produktion – oft unter dem Schlagwort Industrie 4.0 subsummiert – im Fokus. Durch Digitalisierung können Informationen so miteinander verknüpft werden, dass 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:

Entwicklung modularer Konzepte

Die chemische Industrie in Europa steht einem verstärkten Marktwettbewerb aus außereuropäischen Ländern und Herausforderungen bei Produkteinführungen in neuen und oft volatilen Märkten gegenüber. Das erfordert schnelle Reaktionen auf Marktbedürfnisse und ein möglichst reduziertes Investitionsrisiko für neue Anlagen. Aus kürzeren Produktlebenszyklen resultieren kleinere Produktvolumina - eine Folge der Diversifizierung und zunehmenden Spezialisierung der Produktpalette aufgrund von immer mehr kundenorientierten Produkten. Dies führt im Rahmen von Industrie 4.0 zu einer zunehmenden Verzahnung zwischen Kunden und Produzenten und daraus resultierend zu einer notwendigen Verkürzung der Liefer- und Entwicklungszeit (Verkürzung der Markteinführungszeit) sowie dem Bedarf nach einer schnellen Anpassung sich ändernder Markt- und Produktbedürfnisse.

Bestehende Produktionsumgebungen können diese Ansprüche an eine Flexibilisierung des Betriebs nur bedingt erfüllen.

Modular aufgebaute Anlagen bieten die Chance, Prozesse flexibel und anpassbar zu gestalten. Daneben sind vor allem eine mögliche Wiederverwendung der Einzelteile sowie eine wesentlich verkürze Anlagenplanung durch reduziertes Engineering die Hauptvorteile einer solchen Herangehensweise. Eine besondere Herausforderung der Modularisierung liegt darin, die Schnittstellen zwischen den Modulen zu harmonisieren.

Immer mehr Ausrüster, aber auch die Chemie- und Pharmaunternehmen selbst, arbeiten deshalb unter Einbeziehung von vielen Forschungseinrichtungen an der Entwicklung von modularen Konzepten für Neuanlagen sowie Anlagenerweiterungen. Erfreulich dabei: Auch auf Verbandsebene gibt es eine intensive Zusammenarbeit und gemeinsame Arbeitsgruppen, zum Beispiel zwischen NAMUR und ZVEI, und immer wieder werden Ergebnisfortschritte als White Paper dokumentiert. So hat jetzt kürzlich ProcessNet (ein gemeinsames Projekt von Dechema und VDI) das deutschsprachige White Paper „Modulare Anlagen“ des gleichnamigen temporären ProcessNet-Arbeitskreises vorgelegt. Darin fordern Experten aus Industrie und Hochschule vor allem eine Vereinheitlichung nicht nur der Nomenklatur, sondern auch der verwendeten Apparate, um eine Grundlage für eine breite Anwendung dieser Technologie in der Industrie zu schaffen.

Automatisierung modularer Anlagen

Robuste und gleichzeitig intelligente Komponenten wie Pumpen, Chemiereaktoren, Destillations- oder Extraktionsmodule, die über moderne Mess- und Automationstechnik verknüpft und gesteuert werden, sind die Grundlage für modulare Produktionsverfahren. Das Engineering dieser Anlagen nimmt eine zentrale Bedeutung ein.

Im Idealfall sollte das virtuelle Abbild 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. Eine solche Anlagenarchitektur erfordert einen neuen Ansatz für die Automatisierung von Anlagen – nämlich den einer dezentralen Verarbeitungsintelligenz. Diesen Ansatz verfolgt Wago zusammen mit der TU Dresden und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg mit dem Konzept DIMA (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen). 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 als Baustein für Industrie 4.0

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 Beispiele das Reagieren eines Reaktormoduls) wird in Form eines Services oder Dienstes, also einer geschlossenen Funktion, modelliert, die lediglich über eine 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.

Als digitale Visitenkarte eines Anlagenmoduls ist das MTP ein erster Ansatz zur Realisierung des virtuellen Repräsentanten im Informationsnetz. Es repräsentiert schon heute die Funktionen des Anlagenmoduls und verwaltet diese in der Architektur der gesamten Anlage. Das MTP ist somit ein erster realer Baustein, Industrie-4.0-Anforderungen zu lösen.

Semantik für Industrie 4.0

Für Systeme, die auf eine Kollaboration bzw. Kooperation mit anderen Systemen angewiesen sind, muss die Semantik der ausgetauschten Informationen modelliert werden. Das betrifft Maschinen, die Produktionsaufträge selbstständig untereinander (um)verteilen oder Sensordaten, die aus räumlich verteilten Messungen zusammengeführt werden, und natürlich auch modulare Produktionseinheiten. Die beteiligten Partner müssen also „dieselbe Sprache sprechen“. Das bedeutet: Alle Beteiligten verwenden bei der Beschreibung dessen, was und wie sie etwas anfordern oder umsetzen, Begriffe und „Satzstrukturen“ aus einem gemeinsamen Vokabular.

Es reicht nicht aus, Kommunikationsverbindungen über Schnittstellen bzw. gemeinsame Kommunikationsprotokolle aufzubauen. Die künftige Dienste-Orientierung erfordert auch ein gemeinsames Verständnis der auszutauschenden Inhalte. Daher müssen Maschinen, Werkzeuge, Produkte, Angebote, Anfragen und Aufträge einerseits formal und maschinenverarbeitbar beschrieben werden. Andererseits müssen diese Beschreibungen beim designierten Partner bekannt sein und auch von ihm verstanden werden. Das heißt: Alle Beteiligten müssen die Bedeutung des Übermittelten gleichermaßen interpretieren.

Das Verbundprojekt SemAnz40 mit den Partnern Helmut-Schmidt-Universität Hamburg, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Rösberg Engineering und eCl@ss setzt genau hier an und zeigt auf, wie durch bereits existierende Standards zur Beschreibung mit Merkmalen (insbesondere eCl@ss und IEC 61987) und zur Strukturierung von Informationen (insbesondere IEC 62714 „AutomationML“) sowie als Schnittstellenspezifikation (insbesondere IEC 62541 „OPC UA“) eine geeignete semantische Basis für den Informationsaustausch in den Anwendungsfällen von Industrie 4.0 gebildet werden kann.

Ausblick

Um dem Ziel einer komplett modular geplanten und aufgebauten Anlage näher zu kommen, ist noch immer viel Arbeit, vor allem in der Standardisierung von Apparaten und der notwendigen Automatisierungstechnik, notwendig. Darüber hinaus besteht Bedarf an weiteren Entwicklungen im Bereich des Designs von Equipment und Apparaten, die bei überschaubarem Risiko schnell und direkt die Übertragung vom Labor- in den Produktionsmaßstab zulassen. Eine häufig diskutierte, einfache und sichere Lösung für die Überführung in den Produktionsmaßstab ist Vervielfältigung (Numbering-up) anstelle von klassischer Vergrößerung (Scale-up). Es gibt jedoch Einschränkungen, da Numbering-up in vielen Fällen die Investitionskosten und die Komplexität erheblich erhöhen kann.

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