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Modulare Anlagen in den Startlöchern

01 Beim Thema „Modulare Automation in der Prozessindustrie“ arbeiten viele Partner mit, wie der Stand auf der Hannover Messe zeigte. Auf der Achema wurde ferner demonstriert, dass nicht nur eine herstellerübergreifende Visualisierung möglich ist, sondern auch der Baustein „Process Control“ mit dem Module Type Package (MTP) erfüllt werden kann (Bild: Mühlenkamp)

01 Beim Thema „Modulare Automation in der Prozessindustrie“ arbeiten viele Partner mit, wie der Stand auf der Hannover Messe zeigte. Auf der Achema wurde ferner demonstriert, dass nicht nur eine herstellerübergreifende Visualisierung möglich ist, sondern auch der Baustein „Process Control“ mit dem Module Type Package (MTP) erfüllt werden kann (Bild: Mühlenkamp)

02 Wolfgang Laufmann, Global Key Account Manager Chemical bei Wago: „Der Bedarf an MTP wurde durch den Industrie-4.0-Aufwind noch einmal verstärkt“ (Bild: Mühlenkamp)

02 Wolfgang Laufmann, Global Key Account Manager Chemical bei Wago: „Der Bedarf an MTP wurde durch den Industrie-4.0-Aufwind noch einmal verstärkt“ (Bild: Mühlenkamp)

03 Heinrich Engelhard, Geschäftsführer der Namur: „Der MTP-Ansatz führt zu einer wesentlich vereinfachten Integration von beliebigen Prozessmodulen“ (Bild: Mühlenkamp)

03 Heinrich Engelhard, Geschäftsführer der Namur: „Der MTP-Ansatz führt zu einer wesentlich vereinfachten Integration von beliebigen Prozessmodulen“ (Bild: Mühlenkamp)

04 Andreas Stutz, Entwicklungsingenieur in der Vorfeldentwicklung der Siemens-Division Process Industries and Drives: „Manchmal ist der kleinste gemeinsame Nenner einfach zu wenig“ (Bild: Mühlenkamp)

04 Andreas Stutz, Entwicklungsingenieur in der Vorfeldentwicklung der Siemens-Division Process Industries and Drives: „Manchmal ist der kleinste gemeinsame Nenner einfach zu wenig“ (Bild: Mühlenkamp)

Lange Zeit war das Bild der Prozessindustrie von kontinuierlichen Prozessen geprägt, deren Anlagen teils über Jahrzehnte produzierten. Auf diese wird man in Zukunft nicht verzichten, dennoch steigt die Nachfrage nach einer modularen Anlagentechnik, die als wichtiger Teil der Vision Prozessindustrie 4.0 gesehen wird.

Im Kern geht es bei einer modularen Anlagentechnik darum, dass man eine verfahrenstechnische Anlage so aufbaut, dass einzelne Module, also Elektronik, Pumpen und Prozesstechnik bei einem Produktwechsel einfach austauschbar sind. Herausforderungen gibt es sowohl aus verfahrenstechnischer Sicht (so sind viele Komponenten immer noch zu groß) aber auch vonseiten der Automatisierung.
Prinzipiell geht die neu geforderte größere Flexibilität mit einer modularisierten Automatisierungstechnik einher. Dafür werden herstellerübergreifende standardisierte Schnittstellen benötigt, mit denen Prozessmodule und Package Units in Green- und Brownfield-Anlagen integriert werden können. Diese haben bisher gefehlt. „Zwar gibt es schon immer mechanisch modulare Produktionsanlagen, die wurden dann aber zentral automatisiert ausgeführt. Die mechanische Modularität wurde durch eine zentrale Automatisierung jedoch unflexibel gemacht“, erklärt Wolfgang Laufmann (Bild 2), Global Key Account Manager Chemical bei Wago, die gängige Praxis.
Seit einigen Jahren kommt Bewegung in die Prozess-Automatisierungslandschaft. Den Anstoß gab Wago mit Dima (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen) im Jahr 2014. 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. Das Konzept wurde ausgebaut und steht heute in Form einer neuen digitalen Beschreibungsform – dem Module Type Package (MTP) – zur Verfügung. Die Idee besteht darin, Steuerungsintelligenz von der Orchestrierungsstufe auf Anlagenmodule zu verteilen, Anlagenmodule digital zu beschreiben und eine neutrale Schnittstelle zwischen Anlagenmodul und Orchestrierungsebene zu schaffen. „Neu in unserem Ansatz ist eine einheitliche herstellerneutrale Schnittstelle zum übergeordneten Prozessführungssystem, die zu einer wesentlich vereinfachten Integration von beliebigen Prozessmodulen führt“, beschreibt Heinrich Engelhard (Bild 3), Geschäftsführer der Namur (Interessensgemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie), das MTP und vergleicht dies mit dem Plug-and-play-Ansatz eines USB-Druckers. Die neue Form der Integration führt zu einer höheren Flexibilität über den gesamten Life-Cycle der Produktionsanlage.
Unterschiedliche Sichtweisen zusammen bringen
2016 kam der Durchbruch, indem gezeigt wurde, dass das MTP mithilfe eines Engineering-Tools erzeugt und in Leitsysteme unterschiedlicher Hersteller eingelesen werden konnten. Mittlerweile sind alle großen Hersteller an Bord. W. Laufmann ist nicht überrascht vom großen Interesse am MTP: „Der Bedarf wurde durch den Industrie-4.0-Aufwind noch einmal verstärkt. Es war klar, dass wir dringend eine dezentralisierte Automatisierungslösung benötigen, die herstellerübergreifend funktioniert.“ Dass eine solche Schnittstelle technologisch möglich ist, wurde beim Dima-Konzept bewiesen. „Das Konzept wurde damals mit auf im Markt befindlichen Komponenten umgesetzt – es war ein ausdrückliches Ziel, hierfür kein neues Tool oder ähnliches zu entwickeln“, so W. Laufmann. Die größte Herausforderung lag seiner Meinung nach in der Vorarbeit in den Arbeitskreisen zur herstellerübergreifenden Normierung, also, bis die unterschiedlichen Sichtweisen unter einen Hut gebracht wurden. Eine Sichtweise, die Andreas Stutz (Bild 4), Entwicklungsingenieur in der Vorfeldentwicklung der Division Process Industries and Drives bei Siemens, teilt: „Bei allen Standardisierungen, gerade bei Schnittstellen, muss man einen Konsens zwischen den Herstellern finden, welche Funktionalitäten abgedeckt werden. Aber man muss auch sagen, dass der kleinste gemeinsame Nenner manchmal zu wenig ist und dann dauert die Entwicklung ein bisschen länger.“
Mittlerweile ist der Standardisierungsprozess eingeleitet. „Nach der prototypischen Implementierung der HMI-Funktionalität konnten wir mit unseren Erfahrungen in den Standardisierungsprozess einsteigen“, so H. Engelhard. Bereits 2017 erschien der erste Entwurf der VDI/VDE/Namur-Richtlinie 2658 Blatt 1; Blatt 2 folgte Anfang dieses Jahres. Dies ermöglicht den Herstellern von Automatisierungslösungen ihre Produkte entsprechend unserer Vorgaben zu entwickeln. „Von Anwenderseite sind wir sehr daran interessiert, dass die Ergebnisse in die Produkte am Markt Einzug finden.“
MTP in der Praxis
Im praktischen Einsatz ist das MTP bereits. So erprobt Wago in mehreren Pilotanwendungen, etwa im Technikum am Evonik-Standort Marl, das MTP. ABB installierte mehrere MTP-Steuersysteme und ein modulares Konfigurationstool bei der Bayer AG, diese sind in der Implementierung mit ABB Ability System 800xA für die Orchestrierung. Und auf der Sonderschau „Modulare Automation“ auf der Hannover Messe (Bild 1) zeigte Siemens an einem Laborsystem von Merck, wie sich das HMI, projektiert im Simatic TIA Portal, in das Prozessleitsystem Simatic PCS 7 integrieren lässt. Dieser und weitere Demonstratoren haben gezeigt, dass sich die Einzelsteuerebene herstellerübergreifend bedienen und beobachten lässt. „Auf der Hannover Messe konnten wir bereits die Aktoren manuell ansteuern. Auf der Achema in Frankfurt/M. ging es darum, diese im Sinne einer Funktion zu automatisieren, also nicht, einzelne Aktoren anzusteuern, sondern der Anwender gibt nur an, dass gerührt werden soll“, erklärt A. Stutz. Auf der Achema wurde demonstriert, dass nicht nur eine herstellerübergreifende Visualisierung möglich ist, sondern auch der Baustein „Process Control“ mit dem Module Type Package erfüllt werden kann. Dort haben Huber als Package Unit für die Temperiereinheit, Merck mit seinem Reaktor, die TU Dresden mit einem Dosiermodul und Siemens als Lieferant für die Modulautomatisierung als auch für die Prozessführungsebene den Beweis angetreten. Schon jetzt zeigt sich, dass der Aufwand für die Implementierung solcher Module drastisch sinkt, wie A. Stutz vorrechnet. „Der Merck-Reaktor hat ca. 200 Variablen mit knapp 40 Bildobjekten. Würde man diese herkömmlich integrieren, benötigt man mehrere Tage. Bei standardisierten Schnittstellen und einem erfahrenen Programmierer ließe sich die Zeit vielleicht auf einen Tag reduzieren. Aber mit dem Module Type Package benötigt man nur noch zwei bis drei Minuten pro Modul.“
Ausblick
Bevor es an die internationale Standardisierung des MTP geht, will die Namur erst einmal eine nationale Basis schaffen. „Diese erreichen wir durch die Erstellung von VDI/VDE/Namur-Richtlinien. Es gibt bereits zwei Richtlinienblätter, deren finale Veröffentlichung kurz bevorsteht. Darüber hinaus gibt es erste Kontakte mit der IEC bezüglich der Erstellung eines New Work Item Proposals (NWIP). Um das Thema zusätzlich international zu positionieren, stehen wir in engem Austausch mit dem Open Process Automation Forum (OPAF) der „The Open Group“, erklärt H. Engelhard die weiteren Schritte.
Eins ist im Laufe der Entwicklungen deutlich geworden: Der MTP-Ansatz ist für alle Anlagen interessant. So kommt es immer wieder zu der Situation, dass ein in die Jahre gekommener Teil einer Anlage ausgetauscht werden muss. „Gerade in den Gebieten der Fein-/Spezialchemie sowie im Bereich Pharma werden Produktionsanlagen schon heute durch die Verkettung von unterschiedlichen Package Units erstellt. Diese werden dann über proprietäre Schnittstellen in die heutigen Automatisierungssysteme integriert. Dies ist nicht nur zeit-, sondern auch kostenintensiv“, bestätigt H. Engelhard. „Unser Ansatz bietet die Möglichkeit einer schnellen und flexiblen, standardisierten Integration von Package Units/Teilanlagen auch in schon existierende Automatisierungslösungen.“ (ih)

Aus der Praxis: All-in-one statt Scale-up

05 Passt auf einen Lkw – in ihm werden jedoch hochwirksame Arzneimittel hergestellt (Bilder: Evonik)

05 Passt auf einen Lkw – in ihm werden jedoch hochwirksame Arzneimittel hergestellt (Bilder: Evonik)

06 Alles auf engstem Raum – der Ecotrainer von innen in der Praxis ...

06 Alles auf engstem Raum – der Ecotrainer von innen in der Praxis …

07 … und im Schema

07 … und im Schema

Seit zehn Jahren treibt Evonik das Thema der Modularisierung voran. Zu einem der ersten Projekte gehörte die Entwicklung einer Anlage im Miniformat für Elektronikchemikalien – der sogenannte Ecotrainer (Bild 5). Hintergrund ist, dass es in dieser Branche üblich ist, dass die Auftragsvergabe an ein Musterprodukt gekoppelt ist und dabei nicht nur das Produkt selbst, sondern auch der dazugehörige Prozess vom Kunden abgenommen wird. Daher erfolgen Entwicklung und Produktion von neuen Chemikalien in derselben Anlage, die in einer containerähnlichen Raumzelle untergebracht ist. Wird ein Produkt vom Kunden zertifiziert, kann die Produktion mit vergleichsweise geringem Aufwand nach oben gefahren werden, indem der Durchsatz der Anlage einfach erhöht wird. Das Unternehmen sparte auf diese Weise fast drei Jahre an Entwicklungszeit und konnte zwei Jahre früher mit seinem Produkt an den Markt gehen. Nur eine der Herausforderungen: Die Entwicklung von kompakten Pumpenmodulen, die einen stabil geregelten Massenstrom über mehrere Größenordnungen bereitstellen können (von „Milliliter pro Stunde“ während der Entwicklung bis Kubikmeter pro Stunde für die Produktion).
Die drei mal zwölf Meter große Raumzelle enthält alles, was für eine industrielle chemische Produktion benötigt wird – Reaktoren, Prozessleittechnik, IT-Module, Lagerfläche für die Einsatzstoffe, Elemente für konstruktiven Brandschutz, Fluchttüren und Auffangwannen nach dem Wasserhaushaltsgesetz (Bild 6 und 7). „Aus Sicht der Elektrotechnik mussten wir nicht viel umdenken, wir denken schon immer in Modulen“, macht Dr. Jürgen Erwin Lang, Business Development & Innovation in der Verfahrenstechnik & Engineering bei Evonik, deutlich. „Im Ecotrainer arbeiten wir mit vorkonfigurierten Prozessleitsystemen, die bereits eine Modularisierung nach sogenannten ,Unit Operations‘ aufweisen, also vorkonfigurierten komplexen Moduleinheiten, die wir je nach Aufgabe quasi per Mausklick anpassen.“ Unterschiede zu herkömmlichen Leitsystemen sieht Dr. J. E. Lang darin, dass die eingesetzten Systeme bereits heute einem Plant Information Management System ähneln. Damit lassen sich auch einfacher prozessbezogene Daten und Informationen heranziehen, um den Prozess zu optimieren und die Wartung durchzuführen. Zudem ist es leichter, beispielsweise einen zusätzlichen Temperaturfühler zu ergänzen. Derzeit kommt man bei Evonik mit den bestehenden Systemen gut zurecht, wobei Dr. J. E. Lang die Namur-Initiative zum MTP ausdrücklich begrüßt: „Die Entwicklung einer standardisierten digitalen Beschreibungsform von verfahrenstechnischen Komponenten wird vieles im Alltag erleichtern, um zu einem digitalen Abbild eine Chemieanlage zu kommen. Gerade im Hinblick auf Industrie 4.0 ist es sinnvoll, das digitale Abbild einer Anlage zu vereinheitlichen.“ Und auch aus Sicht der Hardware gibt es für Dr. J. E. Lang, der beispielsweise von Anlagen im Großmaßstab höchste Qualität bei den Schaltelementen gewohnt ist, noch Optimierungsbedarf: „Wir benötigen solide Komponenten, die extrem viele Schaltvorgänge bewältigen können. Damit lässt sich die Lücke zwischen Produktion und Labor schließen und man erhält ein System aus einem Guss.“
Inzwischen wurden weitere Projekte verwirklicht. So wurde zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik in Mainz und weiteren Partnern im von der EU geförderten Projekt „Polycat“ die Entwicklung und Herstellung von API (Active Pharmaceutical Ingredients) im Ecotrainer erfolgreich demonstriert. Dieses Projekt bewies, dass auch im Ecotrainer höchste Sicherheitsanforderungen in Bezug auf die Exposition von Stoffen und der Produktsicherheit eingehalten werden können. „Neben Aspekten wie der schnelleren Umsetzung eines Verfahrens von der Idee über die Entwicklung in die Praxis hinein, sind diese Anlagen auch aus Sicht der schnelleren behördlichen Genehmigung hochinteressant“, nennt Dr. J. E. Lang einen weiteren Vorteil. „Die Anlagen sind zudem für Mittelständler interessant, die testen wollen, ob eine Idee reif für die Produktion ist.“ Das neueste Demonstrationsprojekt ist das EU-Projekt Mapsyn. Hierbei wird mittels Strom einer Windkraftanlage in einem Ecotrainer aus der Umgebungsluft Stickstoffdioxid (NO2) herstellt. Dieses NO2 lässt sich beispielsweise problemlos in Kaliumnitrat, einen Stickstoffdünger umwandeln, der auf umliegende Felder aufgebracht wird. Im Labor funktionierte diese Idee. Nun hoffen die Forscher auf vergleichbar gute Resultate im Pilotmaßstab, dafür wurde bei Evonik in Hanau eine Testanlage errichtet – ebenfalls im Ecotrainer.

Sabine Mühlenkamp ist freie Fachjournalistin für Chemie und Technik in Karlsruhe. info@muehlenkamp.net