Modulare Produktion: da ist Musik drin

Unter Orchestrierung verstehen die Ingenieure die systematische Methodik zum Zusammenführen einzelner modularer Prozesseinheiten und ihrer Services hin zu einer ablauffähigen Produktionsvorschrift sowie deren Ausführung. In einer Anlage erfolgt die Orchestrierung durch den sogenannten Process Orchestration Layer. Je nach Anwendungsfall kann die Orchestrierung dabei mit unterschiedlichen Methoden und Werkzeugen erfolgen. Allen gemein ist, dass sie das Module Type Package Konzept nutzen. Es definiert die gemeinsame Sprache, über welche der Process Orchestration Layer und die modularen Funktionseinheiten miteinander sprechen. In der Musik sind dies die Noten. Der Process Orchestration Layer gibt sozusagen den Takt für die einzelnen modularen Prozesseinheiten vor. Er ruft zur richtigen Zeit die gerade benötigten Funktionalitäten in den einzelnen modularen Prozesseinheiten ab. Sie werden im Module Type Package als Services bezeichnet, die vom Process Orchestration Layer gestartet, mit Sollwerten versehen, pausiert und gestoppt werden.  

Die Anforderungen und Funktionen des Process Orchestration Layer sind je nach Branche und Anwendung unterschiedlich. Daher werden zukünftige Systeme des Process Orchestration Layers deutlich modularer und flexibler sein, um dem Anlagenoperator genau die Funktionen zur Verfügung zu stellen, die er zur Orchestrierung seiner modularen Anlage benötigt, in einer einheitlichen Arbeitsumgebung. Erste Ansätze in Produkten werden auf der ACHEMA 2022 zu sehen sein!  

Die flexible Produktion ist, mit Verlaub, noch ein langer Weg. Flexible Produktionssysteme, erfordern einen Grad der Anpassbarkeit der zukünftig mehr und mehr erreicht wird. Auf dem Weg dahin beteiligt sich Siemens aktiv in der Standardisierungsarbeit mit unzähligen Partnern. Darüber hinaus unterstützt Siemens seine Kunden in der Einführung und Umsetzung des Standards in das umfassende Portfolio für Modul- und Anlagenbauer. Mit COMOS, SIMATIC TIA Portal und der S7-1500, als auch SIMIT bieten wir dem Maschinenbauer eine durchgängige Lösung zur Planung, Projektierung und Test von modularen Prozesseinheiten. Mittels COMOS, dem neuen webbasierten SIMATIC PCS neo oder SIMATIC eBR bzw. OpCenter Execution für Pharma/Chemie bieten wir auch eine breite Möglichkeit zur Realisierung des Process Orchestration Layers. Zusammenfassend bieten wir Produkte und Services über den gesamten Lifecycle für modulare Prozesseinheiten und Anlagen.  

Autor

Andreas Stutz (M. Sc.), Siemens AG

Andreas Stutz ist Entwicklungsingenieur bei der Siemens AG in Karlsruhe Mitautor des Standards des Module Type Package Konzepts. Er studierte Energie- und Automatisierungstechnik und promoviert berufsbegleitend im Bereich von Service-Choreografien in der modularen Automation.

andreas.stutz[a]siemens.com

Der Wasserzähler im heimischen Keller ist ein eher schlichter Vertreter seiner Art; in der Prozessindustrie müssen Durchflussmesser deutlich mehr können. Sie kommen mit -200°C kaltem Flüssiggas genauso zu recht wie mit 2000 Litern pro Stunde zähflüssigen Tomatenmarks und sind außerdem voll digitalisiert. Neben dem klassischen 4.20 mA/HART-Signal kommunizieren sie auch über die gängigen Protokolle wie Modbus, Foundation Fieldbus, Profibus sowie Profinet und sogar Bluetooth. Bisher gab es keinen herstellerübergreifenden Standard für die Integration von Modulen, deshalb müssen traditionell auch die Durchflussmessgeräte manuell in die IT-Umgebung der jeweiligen Anlage eingebunden werden. Das ist zum Teil mit hohem Aufwand verbunden, deshalb kooperieren die Ingenieure von KROHNE jetzt mit dem Technologieunternehmen Semodia. Deren MTP-Control Engine kapselt die Intelligenz des Coriolis-Massedurchflussmessgerätes OPTIMASS 6400 und beschreibt sie in einem Module Type Package konform zur VDI/VDE/NAMUR-Richtlinie 2658. Darin werden die Eigenschaften und Fähigkeiten des Systems semantisch erfasst, modelliert und kommuniziert. Die Semodia MTP-Control Engine kann auf beliebigen Feldgeräten eingesetzt werden. Damit ist ein OPTIMASS 6400 als Modul nun in der Lage, das Human Machine Interface und bestimmte Dienste über das herstellerneutrale Module Type Package bereitzustellen. Der Aufwand der signalbasierten Integration entfällt; stattdessen kann das Modul nun schnell und effizient integriert werden und seinen Part im Anlagenorchester spielen.

Damit leisten KROHNE und Semodia gemeinsam einen wesentlichen Beitrag zur Effizienzsteigerung modularer verfahrenstechnischer Anlagen auf allen Architekturebenen und helfen damit, Ressourcen in der Prozessindustrie einzusparen.  

Autoren

Ralf Haut, KROHNE Messtechnik GmbH

Ralf Haut ist Technical Manager in der Global Industry Division Chemical der KROHNE Gruppe. Er war nach Abschluss des Studiums der Verfahrenstechnik in verschiedenen Funktionen für Unternehmen wie Bayer, Siemens und Honeywell tätig. 

r.haut[a]krohne.com

Anna Menschner, Semodia GmbH

Anna Menschner hat nach Abschluss ihres Studiums der Elektrotechnik als wissenschaftliche Mitarbeiterin an der TU Dresden gearbeitet. Seit Mai 2019 ist sie einer der Geschäftsführer der Semodia GmbH.

Für einen Spezialchemiehersteller wie Evonik sind Flexibilität und Umsetzungsgeschwindigkeit wesentliche Faktoren, um in einem sich ändernden Marktumfeld erfolgreich zu sein.  

Evonik entwickelt daher das Konzept der modularen Anlagen bereits seit mehr als zehn Jahren intensiv – sowohl firmenintern als auch in öffentlich geförderten Projekten wie dem F3 Factory Projekt (EU Projekt 2009 – 2013). Dieses hatte zum Ziel, modulare Anlagen zu entwickeln, die sich dadurch auszeichnen, dass die modular strukturierte Anlage in einen Transportcontainer eingebaut und über eine standardisierte Docking-Station an eine definierte Infrastruktur angeschlossen wird. Diese Vollausprägung des modularen Anlagenkonzeptes stellt jedoch in den meisten Fällen nicht das erforderliche Optimum dar. Das zentrale Know-How bei der Umsetzung liegt darin, zu erkennen, welche Ausprägung der Modularisierung für die gestellte Aufgabe optimal ist und wie ein entsprechend angepasstes Konzept in die heutigen Anlagenlandschaft eingebunden werden kann.

Durch die flexible funktionale und örtliche Einsatzmöglichkeiten lassen sich zudem Apparate in Mehrproduktanlagen effizienter als bisher nutzen. Insbesondere gilt dies heute für die Auftragsherstellung von Wirkstoffen, bei der der Wechsel von einer konventionellen Batchproduktion hin zu kontinuierlichen Herstellverfahren eine immer größere Rolle einnehmen wird.

Wichtig für den Erfolg des modularen Ansatzes ist daher die Möglichkeit der nahtlosen Einbindung und Orchestrierung modularer Anlagen in bestehende konventionelle Anlagenkonzepte zum Beispiel über standardisierte Schnittstellen. Die Anbindung von Package Units – quasi ein Modul – an bestehende konventionelle Anlagen stellt hier ein gutes Beispiel dar, wie dies gelingen kann. Neben solchen erfolgreichen UseCases ist die vertrauensvolle Zusammenarbeit und enge Abstimmung von Betreibern, Automatisierern und Equipment-Herstellern Grundlage, um das modulare Anlagenkonzept zum Erfolg zu führen. Es ist damit zu rechnen, dass ein gleitender Übergang von der heutigen durch monolithische Anlagen geprägten Landschaft hin zu modularen Anlagen stattfinden wird. Diesen Übergang zu gestalten wird in den nächsten Jahren eine zentrale Aufgabe.

Autoren

Dr. Christian Bramsiepe

Dr. Frank Stenger