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„Wir Automatisierer sind nur Mittel zum Zweck.“ Dieses Eingangsstatement von Dr. Jens Bernshausen klingt nur im ersten Moment ein wenig resignierend. Tatsächlich spielen die in der Namur organisierten Automatisierer, die Bernshausen vertritt, zusammen mit ihren Zulieferern eine entscheidende Rolle, um modulare Produktionskonzepte in der Prozessindustrie Wirklichkeit werden zu lassen. Es gibt viele gute Argumente dafür – und auch schon enorme Anstrengungen, die Nutzenpotenziale auszuloten. Doch die Betonung liegt auf Anstrengung. Denn noch müssen sich die Anwender so richtig ins Zeug legen, wenn aus Einzelpaketen eine gut funktionierende Anlage werden soll.
Nach heutigem Stand stehen die Automatisierer vor den einzelnen Einheiten – und ihrem Prozessleitsystem. Letzteres ist auf eine im Ganzen engineerte Großanlage zugeschnitten. Wochen später haben sie es dann geschafft, das alles irgendwie zusammenzuführen, denn, so Bernshausen, „die Integration kleiner Einheiten spielt bisher noch keine Rolle.“ Dass es auch anders geht, dass man die Anlagenteile quasi on the fly zusammenführen und in Betrieb nehmen kann, beweisen zahlreiche andere Industrien. Philipp Schmidt von Copa-Data kennt das aus der Automotive-Branche: „Da landen automatisch generierte Projektteile im Leitsystem. Keiner muss das noch von Hand zusammenklicken.“
Dr. Eckhard Roos von Festo erinnert daran, dass die Prozessindustrie ihre Besonderheiten hat: „Anlagen laufen Jahrzehnte lang und werden in dieser Zeit immer wieder angepasst. Ausgangs- und Endprodukte ändern sich in ihrer Spezifikation. Die Automobilindustrie dagegen fertigt ein Modell über einige Jahre – und baut dann komplett um fürs nächste Modell.“ Doch mit Schmidt, Bernshausen und den anderen Vertretern am P&A-Roundtable zum Thema Modularität in der Prozessindustrie ist Roos sich einig: „Die Vereinfachungen im Engineering sind es wert, modulare Automation auch für die Prozessindustrie zu ermöglichen. Anlagenflexibilität wird im zunehmenden Maße auch in der Feinchemie, in der Pharma- und Lebensmittelindustrie, der Wasseraufbereitung und manch anderem Zweig der Prozessindustrie gefordert. Ein Modul mehr in die Anlage eingebaut, und schon ließe sich beispielsweise eine stärkere Nachfrage nach einem Produkt sehr schnell befriedigen.“
Herstellerübergreifend durch Vereinbarung auf MTP
Einige Verfahrenstechnik- oder Verpackungsanlagen-Hersteller sind bereits so weit. Modularität setzt sich dort immer mehr durch, wie das Konzept Moduline von Optima zeigt (siehe dazu Artikel S. 30). Doch einen herstellerübergreifenden Standard gibt es bislang auch dort nicht. Den aber strebt die Initiative von ZVEI und Namur an. Dafür hat sie sich auf die Entwicklung eines Konzepts verständigt, das mit einem sogenannten MTP, dem Module Type Package, die Probleme der Integration löst. Teilanlagen, Package Units und Spezialmaschinen wie Dosiereinheiten, Mischer, Kühler und am Ende auch Abfüllmaschinen sollen eine autarke Automatisierung mitbringen, deren Fähigkeiten im MTP beschrieben sind. Das soll künftig dann jedes beliebige Leitsystem „lesen“ können. So könnten die Anlagenteile schnell und unkompliziert automatisierungstechnisch vereint werden.
Treiber der ersten Stunde, gemeinsam mit der Namur, war die Firma Wago. Thomas Holm ist dort als Key Account Manager Process einer der Vordenker des Prinzips. Auf die Modulbauer sieht er einige neue Anforderungen zukommen: „Die Herstellung eines Moduls durch den Maschinenbauer wird weniger einem Anlagenengineering wie bisher bekannt entsprechen, sondern eher einer Produktentwicklung.“ Den Herstellern werde mehr und mehr von der kundenspezifischen Ausprägung ihres Geschäftsmodells wegfallen. Baukastenkonzepte könnten das allerdings kompensieren, denn der Grad an Wiederverwendbarkeit steige deutlich. „Der Anlagenbetreiber erhält dann ein Stück gekapselte Komplexität, eine Blackbox“, meint Holm. Er gewinnt Engineering-Effizienz, verliert aber Wissen über die einzelnen Anlagenteile – und benötigt künftig unter Umständen mehr externen Service bei der Wartung der Module.
Das MTP-Konzept geht von einer serviceorientierten Architektur aus. Philipp Schmidt von Copa-Data geht daher noch einen Schritt weiter. „Irgendwann macht einer den mutigen Schritt und verkauft nicht das Modul, sondern den Service. Der Modulhersteller wird dann zum Betreiber – und profitiert selbst von der Modularität.“ Ist es denkbar, den Dienst „Mischen“ zu verkaufen, das entsprechende Modul mal eben in die Gesamtanlage zu integrieren – und es nach einiger Zeit abzuholen, um es beim nächsten Kunden einzusetzen? Das gäbe es bereits, meint Schmidt: „Denken Sie an Anbieter von Getränkekartons. Die verkaufen die Verpackung teuer – und stellen die Maschine zum Befüllen hin.“
Bernshausen kann sich die „eierlegende Wollmilchsau von Reaktor, die ich überall einsetzen kann“ nicht recht vorstellen. Als Engineering-Experte bei Invite, der Forschungsgesellschaft von Bayer und der TU Dortmund, hat er unter anderem die Pharmaindustrie im Blick. Er verweist auf naheliegendere Einsparpotenziale: „Qualifizierte automatisierte Einheiten, die Anwender leicht integrieren können, erleichtern die spätere GMP-relevante Validierung. Da ist dann nur noch die Interaktion zwischen den Modulen in der Orchestrierung zu testen. Das ist der große Mehrwert.“
Kundenspezifisches Anlagenteil, gepaart mit Baukasten-Modul
Denkbar ist ein Mischmodell, in dem Module aus dem Baukasten sowie kundenspezifische Module kombiniert werden, beide leicht integrierbar via MTP. Jan Rougoor, Leiter des Produktmanagements für das Engineering-System Comos bei Siemens, erinnert an Spezialmaschinen wie den Perfusionsreaktor, die im Rahmen neuer Prozessentwicklungen erst entstehen: „Da kommt man mit dem Wiederholen bekannter Rührer nicht weiter.“ Entscheidend sei der Reifegrad des Prozesses. Bei altbekannten Verfahren wie Polyethylen-Herstellung gehe es nur noch um Engineering-Effizienz. Bei neueren Prozessen werde dagegen auch, wenn die Anlagen schon laufen, noch an den Unit Operations getüftelt. Roos verweist auf die in Biopharmaprozessen typische Aufteilung in die Primärproduktion, bei der weltweit einzigartige Prozessschritte vorkommen, und der Sekundärproduktion: „Sterilisieren und Abfüllen, das könnte man gut von der Stange als Modul kaufen.“
Schmidt behagt der Gedanke an individualisierte Module nicht: „Wie viel der Modularisierungsidee fällt dabei wieder hinten runter?“, fragt er und meint: „Für den Modulhersteller steigt der Aufwand dann wieder.“ Bernshausen stellt ein Szenario dagegen, bei dem der Kunde Module fertig automatisiert ordert – und dabei auch das Automatisierungssystem vorgibt, wie es ohne MTP nötig sei. „Da entstünde für den Hersteller wirklich ein nahezu unzumutbarer Aufwand, wenn er alle möglichen Automatisierungssysteme vorhalten und beherrschen müsste. Beim MTP-Konzept dagegen kann er immer dasselbe Engineeringtool seiner Wahl nutzen.“
Ersetzen modulare Anlagen eines Tages auch die großen monolithischen Anlagen? Holm sieht das nicht: „Der modulare Vorteil ergibt sich zunächst für Prozesse, die sich schnell wandeln müssen, oder für die Time-to-Market sehr kritisch ist.“ Für Großanlagen, bei denen die Effizienz das entscheidende Kriterium ist, werde sich Modularität schwerer durchsetzen.
Riesiger Vorteil für Modul-Lieferanten mit MTP
Bernshausen dagegen sieht auch dort Bedarf: „Module werden die großen Anlagen ergänzen. Auch heute vergeben wir Anlagenteile an Engineeringpartner. Die, die künftig mit eigener Automation inklusive MTP liefern können, werden einen riesigen Vorteil haben.“
Noch ist das MTP-Konzept im Entstehen begriffen. Doch dass Modulengineering und -integration bald so laufen könnten wie diskutiert, zeigt ein erster verfahrenstechnischer Prototyp. Bereits im November 2015 stellte ihn Wago vor. Dazu nutzte es zenon von Copa-Data, das als erstes Leitsystem eine Schnittstelle für das MTP-Konzept mitbringt. „Innerhalb von zwei bis drei Minuten konnten wir einen Modulwechsel durchführen“, schildert Holm, der dennoch anstelle von Plug-and- Produce lieber von Plug, Configure and Produce reden will. Das Beschreibungsmodell des MTP, das ZVEI und Namur miteinander entwickelt haben, funktioniert. „Ein nächster Schritt zum Plug-and-Produce wäre“, führt Holm aus, „dieses Beschreibungsmodell nicht offline, sondern mit Kommunikationsprotokollen online zu übertragen.“
Ein Weg zur vollautomatischen Übertragung könnte über OPC führen. Der Copa-Data-Vertreter Schmidt warnt jedoch, sich darauf zu beschränken: „Damit wäre der Modulhersteller, der keine OPC-Schnittstelle in seiner Steuerung zur Verfügung hätte, raus. Bei einem Standard, der gerade eingeführt werden will, sollten wir nicht gleich wieder die Nutzung einschränken. Das wäre Gift für seine Verbreitung.“ Alternativ könne man im MTP beschreiben, welches Kommunikationsprotokoll benutzt werden soll. „Ich brauche dann eben ein Leitsystem, dass das kann“, ergänzt Schmidt. Man traut seinem Unternehmen zu, dass es auch diese Aufgabe pragmatisch angeht. Gerade mal zwei Wochen hat es gebraucht, um sein Leitsystem zenon MTP-fähig zu machen. (Lesen Sie dazu den Artikel auf Seite 29.)
Laut Rougoor ist auch das Leitsystem Simatic PCS7 sehr gut für modulare Anlagenkonzepte geeignet, nicht zuletzt dank des ausgeprägten dezentralen Ansatzes. „In PCS7 können wir die Prozessunits mit ihren Equipment-Modulen, allen Ansteuerungsaktoren und Sensoren gemäß der Prozesstopologie darstellen.“ Entspricht das der Erwartung der Anwender? Eine leichte, flexible Integration von eigenständig automatisierten Teilanlagen muss möglich sein. Bernshausen konkretisiert: „Das heißt, ich brauche eine CPU in jedem Modul. Ich brauche in den Modulen und im Leitsystem ein geeignetes Engineering-Tool. Und eine Schnittstelle, die die Integration ermöglicht.“
Das Modulengineering selbst soll nach den Vorstellungen Rougoors objektorientiert vonstattengehen. Jedem Modul sind dann Unterobjekte für Verfahrenstechnik, Mechanik, Elektrifizierung und Automatisierung zugeordnet. „Das darf nicht verzettelt in den unterschiedlichsten Dokumenten und wildesten Formaten sein, wenn die Modularität eine Chance haben soll“, so der Siemens-Engineering-Spezialist. Ein digitales Abbild der Anlage sei nur durch eine gewisse Objektorientierung zu erreichen, meint Rougoor.
Können Modulhersteller der stärkeren Verantwortung für die Automatisierung und Integrierbarkeit gemäß der NE 148 gerecht werden? Die Anforderungen sind tatsächlich hoch und sie gehen weit über die eigentliche Generierung des MTPs hinaus. „Das Vertrauen der Anwender hängt stark davon ab, wie die Modulhersteller die Automatisierung gestalten“, meint Holm. Grundsätzlich kann jeder Modulbauer ein MTP erzeugen. Wenn er aber die automatisierungstechnischen Features seines Anlagenteils nicht wirklich gut ausführt, dann „würde bei Anwendern schnell eine Abwehrhaltung für die Idee der Modularisierung entstehen und der Wunsch, lieber alles selbst in der Hand zu behalten.“ Eine hohe Verantwortung für die Modulhersteller, die darüber aber im Wettbewerb auch Vorteile generieren können.
Modulbauer mit Automatisierungskompetenz
Auch beim Service können sich Modulbauer vom Wettbewerb absetzen. Selbst bei einer Black Box aus Sicht des Anlagenbetreibers will der wissen: Wie effizient wird die Wartung ablaufen? Mit Blick auf die laufenden Kosten sagt Rougour: „Der Betreiber möchte schon wissen: Beginnt der Hersteller wieder von vorne, mit dem Bleistift zu konstruieren, wenn etwas kaputt geht oder gewartet werden muss?“
Rege diskutiert in den ZVEI- und Namur-Arbeitskreisen wurde auch bereits, ob jedes Modul tatsächlich komplett unabhängig für sich steht – auch verfahrenstechnisch. Alternativ wäre eine modulübergreifende Kommunikation nötig. Zur Fokussierung hatte man sich zunächst darauf geeinigt: Jedes Modul für sich ist sicher, hat also eine Absperrarmatur und schaltet sich bei Bedarf selbst ab. Bernshausen deutet jedoch an, dass künftig auch die Möglichkeit der Kommunikation zwischen Modulen ermöglicht werden könnte. Fürs erste werde jedoch das Leitsystem noch die Rolle des Informationsvermittlers spielen. Noch Zukunftsmusik sind Ideen, nach denen die Module unter sich „aushandeln“, wie ein bestimmtes Endprodukt erzeugt wird.
Erste Schritte zu Industrie 4.0
Der Industrie-4.0-Ansatz also. Gar nicht so weit hergeholt sei das, sagt Schmidt, der ähnliche Konzepte aus der Stahlherstellung kennt. Über künstliche Intelligenz werden dort Variationen zahlreicher Stahlsorten hergestellt. Nahe an der realen Umsetzung sind andere Industrie-4.0-nahe Ideen der modularen Automation mittels MTP: Jedes Asset bringt Intelligenz mit, beschreibt sich selbst und ist diagnosefähig. Die Intelligenz rückt damit an den Aktor. Bernshausen will die strikte Kapselung – auch nach der Zusammenführung. Das sei im Sinne der Validierung der Anlage. „Bei einem fertigen Stück Software auf einer getrennten CPU weiß ich: Das habe ich niemals angepackt. Hole ich mir den Quellcode jedes Moduls aber ins übergeordnete System, besteht wieder die Möglichkeit, diesen zu manipulieren.“ Die Vorteile für die Validierung seien damit wieder dahin.
Allein Rougoor sieht nicht, dass sich die Dezentralität zu 100 Prozent realisieren ließe. Die anderen Roundtable-Teilnehmer halten dagegen: Die physische Steuerung in den Modulen, die Orchestrierung im Leitsystem oder – irgendwann in der Zukunft – in einem Master, das ist die Idee. So wie es zenon von Copa-Data heute schon kann.
Die kurze Entwicklungszeit von rund zwei Wochen ist Schmidt zufolge auf die bestehenden Voraussetzungen des branchenübergreifend eingesetzten Prozessleitsystems zurückzuführen: „Die Objekt-orientierung und automatische Projektgenerierung ist uns aus verschiedenen Branchen bekannt. Zudem ist unsere Softwarebasis so modern, dass die Umsetzung der MTP-Idee architektonisch kein Problem war.“ So entstand in zenon ein Handlingsystem, das MTPs einliest und im Leitsystem anlegt. Nicht alle Leitsysteme sind so gut auf den neuen modularen Ansatz vorbereitet wie zenon. Klassische monolithische Systeme so umzubauen, dass sie Modularität projektorientiert abbilden, scheint eine Herausforderung.
„Bis zur nächsten Namur-HS prototypisch umgesetzt“
Dr. Jens Bernshausen rechnet jedoch damit, dass bis zur nächsten Namur-Hauptsitzung Anfang November 2016 die prototypische MTP-Implementierung von einigen Herstellern umgesetzt wird. „In drei bis vier Jahren werden wir dann wohl die ersten modularen Anlagen mittels MTP automatisieren können“, meint der Namur-Vertreter.
Werden aber auch produzierende Chemiebetriebe das Konzept nutzen? Bernshausen gibt zu: „Es ist nicht einfach, die Idee in die Unternehmen reinzutragen. Doch wir sind auf einem guten Weg. Bei uns beispielsweise ist die modulare Automation eines der Kernthemen.“ Zudem sitzen inzwischen alle namhaften Chemiekonzerne Deutschlands und alle großen Leitsystem-Hersteller mit am Tisch, um das MTP-Konzept zu entwickeln.
Keine Frage: Wesentlich für die Akzeptanz wird die Profitabilität sein. Für die Automatisierer steht dahinter ein Potenzial von 4,2 Mrd. Euro für 2025, so Eckhard Roos. Auf Seiten der Chemieindustrie heißt einer der Haupttreiber Time-to-Market. Angesichts immer kürzerer Produktentwicklungszyklen kann Modularität einen entscheidenden Beitrag leisten – nicht nur durch schnelles Engineering, auch im Rahmen der Zulassung. Durch Numbering-up, wie es Festo in Wasseranlagen bereits zeigt, erleichtert sie zudem Kapazitätserhöhungen. Und die Wiederverwendbarkeit von Modulen kommt zum Tragen, wenn ein Produkt nach der Einführungsphase tatsächlich in eine große, monolithische Anlage „umzieht“.
„Modulare Anlagen passen zum Zeitgeist“, betont Schmidt: „Die Beschleunigung, die dieses Thema zurzeit erfährt, hat viel mit dem Rückenwind durch Industrie 4.0 zu tun.“ Das legt nahe, die eigenen Prozesse in Frage zu stellen und neu zu denken. „Wie fassen wir unsere Produktion auf? Wie organisieren wir sie? Wie steuern wir sie?“, fasst Schmidt zusammen.
Kann bei all den Vorteilen die Idee der modularen Automation noch scheitern? „Sie wird für gewisse Segmente einen Riesenhub bringen“, meint Roos. Dennoch sieht er das Risiko, dass die Akzeptanz fehlen wird, „denn der wirklich profitable Nutzen ist nicht unmittelbar nachweisbar und gekapselte Units erfordern ein manchmal schwieriges Umdenken in Wartung und Betrieb.“
Keine Extrasüppchen bei der Implementierung!
Für Thomas Holm von Wago steht der Benefit außer Frage. Er sieht das Problem eher im früher üblichen Standardisierungsverhalten: „Die Art der Zusammenarbeit, die wir gerade in den ZVEI und Namur-Arbeitskreisen realisieren, müssen wir auch weiterhin leben. Das ist das Erfolgskriterium.“ Den Hebel der Herstellerneutralität schätzt auch Philipp Schmidt hoch ein: „Aus Sicht von Copa-Data ist es höchstwillkommen, dass alle – ABB, Yokogawa, Siemens – mitmachen.“ Wichtig sei aber, dass während der Implementierung des Standards nicht jeder Hersteller sein Extrasüppchen koche. Das könnte zu einer solchen Inkonsistenz führen, dass der ganze Standard doch noch floppen könne, warnt Schmidt. Die wirtschaftliche Bedeutung modularer Automatisierung als Enabler für Industrie-4.0-Steuerungskonzepte werde sich im Detail in ein paar Jahren zeigen. Auch Jan Rougoor sieht Modularität als wichtigen Baustein an. Das Potenzial sei da, aber „es wird wohl noch einige Jahre dauern, bis die intelligente zusammengeschaltete modulare Anlage Realität wird“, schätzt er.
Von einem Standard will Bernshausen indes noch gar nicht sprechen. „In dieser frühen Phase wollen wir von der Namur das mit unseren Partnern vom ZVEI erst einmal spezifizieren. Nach dem ersten Proof of Concept können wir dann andere Kollegen etwa von VDI GMA abholen und in Richtung Standardisierung gehen.“ Dennoch – die Technologie sieht auch er als Enabler. „Wenn sie einmal umgesetzt ist, werden sie viele auch verwenden.“
