Herstellerunabhängige Automatisierung Modularität greifbar machen

Der Betrieb einer prozessindustriellen Anlage ist in der Regel eine hochsensible Angelegenheit. Gerade in Branchen wie der Chemie- oder der Pharmaindustrie gilt es, unterschiedliche Geräte wie Extruder, Zentrifugen, Separatoren oder Reaktoren mit hohem Fingerspitzengefühl und viel Know-how zu reibungslosen Prozessabläufen zu kombinieren.

Nach der Orchestrierung bleibt die Aufrechterhaltung dieser Prozesse oberstes Gebot – und das ist schwierig genug. Können doch bereits kleinste Abweichungen bei Druck oder Temperatur gravierende Auswirkungen auf die Performance der gesamten Anlage haben und nicht selten zu Materialschäden, Anlagenstillständen oder Einbrüchen bei der Produktqualität führen.

Themen wie Modularität oder Flexibilität müssen in der Prozessindustrie immer vor diesem Hintergrund betrachtet werden. Umrüstungen einer Anlage sind wirtschaftlich nur dann sinnvoll, wenn sich mit den neu angeordneten Komponenten auch ohne großen Zeit- und Kostenaufwand neue, ebenfalls fehlerfreie Prozesse oder Verfahren etablieren lassen. Grundvoraussetzung dafür sind die Interoperabilität der einzelnen Module, offene Kommunikationsschnittstellen und das Vorhandensein eines flexibel umstellbaren Prozessleitsystems, in das Module im besten Fall herstellerunabhängig integriert werden können.

Mit einem bemerkenswerten Proof of Concept konnte die Business Unit Separators des deutschen Maschinen- und Anlagenbauers GEA nun in Zusammenarbeit mit dem Tech-Konzern Schneider Electric zeigen, dass der Weg zur Erfüllung dieser Anforderungen nicht mehr weit ist. Ein guter Ansatz: eine alternative Umsetzung von MTP unter den Vorzeichen einer herstellerunabhängigen und softwarezentrierten Automatisierung.

Modulare Prozessindustrie mit MTP

Sicherlich nicht in allen, aber in zahlreichen Disziplinen der Prozessindustrie – etwa Pharma, Bio-Pharma oder Feinchemie – zahlt sich die Fähigkeit zur flexiblen und schnellen Umrüstung von Anlagen unternehmerisch aus. So kann etwa zeitnah und wirtschaftlich sinnvoll auf schwankende Nachfrage, individuelle Kundenanforderungen oder Lieferengpässe reagiert werden.

Gerade in Pharma- oder Chemieunternehmen sind zudem die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen immer darauf angewiesen, bestimmte Verfahren und Prozessabläufe flexibel und unkompliziert umbauen zu können – etwa, wenn es unter Zeitdruck darum geht, neue Produkte, Medikamente oder Impfstoffe entwickeln zu müssen.

Der Pathfinder-Separator von GEA, um den es bei dem gemeinsam von GEA und Schneider Electric umgesetzten Proof of Concept geht, ist für die im F&E-Bereich geltenden Anforderungen gut geeignet. Darauf ausgelegt, Flüssigkeiten von Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten von Feststoffen zu trennen, ist er beispielsweise dazu in der Lage, Wirkstoffe, die für die Medikamentenherstellung benötigt werden, aus Lösungen herauszutrennen und zu isolieren.

In typischen Anwendungsszenarien kommen Pathfinder-Separatoren zum Beispiel als Teil kürzerer und meist nur temporär etablierter Prozesse zum Einsatz und müssen dort mit unterschiedlichen Geräten anderer Hersteller zusammenarbeiten.

Technische Umsetzung auf Basis von MTP

Um den Engineering-Aufwand, aber auch die Umrüstzeiten deutlich zu verringern, hat sich GEA für eine auf MTP basierende technische Umsetzung entschieden. Der Clou an diesem Ansatz: MTP-Module können herstellerunabhängig in MTP-fähige Leitsysteme eingebunden und innerhalb dieser Process-Orchestration-Layer (POL) beliebig mit anderen Modulen zusammengeschaltet werden. Auf POL-Ebene sind dann weder hoher Engineering-Aufwand noch spezifisches Entwickler-Fachwissen vonnöten.

Über welche technische Ausstattung von welchem Hersteller ein Modul verfügt, spielt im Sinne dieses Ansatzes keine Rolle mehr. Denn bei den MTP-Modulen handelt es sich um geschlossene Black Boxes, die von einer maschinenlesbaren und herstellerneutral gefassten Beschreibungsdatei gemäß VDI/VDE/Namur 2658 bezüglich ihrer Moduleigenschaften begleitet werden.

Dank dieser mit dem Modul mitgelieferten Datei ist es einem MTP-fähigen Leitsystem möglich, sofort alle wesentlichen Merkmale eines Moduls zu erfassen und dieses mit seinen je spezifischen Aufgaben in einen Prozess zu integrieren.

Neue Automatisierungslogik

Doch der prüfende Blick in entsprechende Fachausschüsse zeigt: MTP ist und bleibt ein Standard in der Entwicklung. Fertige und marktreife Lösungen sind bis dato rar gesät und die Hersteller von Automatisierungslösungen und Prozessleitsystemen tun sich angesichts des vorläufigen Status der MTP-Entwicklung schwer damit, den komplizierten Standard in ihre Lösungen zu implementieren.

„In Anbetracht der Erfahrungen, die wir bei der Umsetzung des MTP-Ansatzes gemacht haben war es naheliegend, etwas völlig Neues auszuprobieren“, erklärt Patrick Eickhoff, Head of Automation und Controls im Bereich Software für Single Machines in der GEA Business Unit Separators.

„Im Austausch mit den Kollegen von Schneider Electric haben wir schnell festgestellt, wie sehr unser MTP-Projekt von einem herstellerunabhängigen Automatisierungsansatz und den Funktionalitäten eines Engineering-Tools wie Ecostruxure Automation Expert profitieren kann. Deshalb, und natürlich auch aus Neugier auf die Potenziale dieser vollkommen neuen Automatisierungslogik, haben wir uns dazu entschlossen, einen gemeinsamen Proof-of-Concept zu realisieren.“

MTP unter den Vorzeichen herstellerunabhängiger Automatisierung

Seit Markteinführung des Engineering-Tools Ecostruxure Automation Expert im Jahr 2020 setzt Schneider Electric auf herstellerunabhängige und softwarezentrierte Automatisierung. Der Tech-Konzern ist zudem Gründungsmitglied der im November 2021 neu gegründeten UniversalAutomation.Org und treibt dort gemeinsam mit anderen Herstellern, OEMs, Start-Ups und Universitäten einen auf der Norm IEC 61499 gründenden, universellen Automatisierungsansatz voran.

Dass nun gerade dieser neue Automatisierungsansatz und das MTP-Konzept so gut zusammenpassen, hat zwei wesentliche Gründe. Zum einen kommt dem modularen MTP-Konzept die eventbasierte Ausführungslogik einer nach IEC 61499 konzipierten Automatisierung sehr entgegen. Die einzelnen Module oder Dienste werden demnach nur aktiv, wenn ein Befehl aus der Prozessleitebene sie triggert. Das spart kostbare CPU-Ressourcen, erleichtert die Orchestrierung und erlaubt eine einfachere Anbindung an übergelagerte IT-Systeme.

Zum anderen sehen sowohl MTP als auch ein herstellerunabhängiger Automatisierungsansatz nach IEC 61499 eine Abstraktion von Hardwaregegebenheiten vor. Klingt zunächst kompliziert, meint aber nur, dass eine von der Hardware losgelöste Softwareschicht geschaffen wird, innerhalb der nicht mehr kodiert, sondern idealerweise nur noch modelliert und parametriert werden muss. Dazu werden komplexe mechatronische Abläufe in vereinfachte Softwarebausteine (CATs) verpackt, die innerhalb der Software zu ganzen Systemen oder Sequenzen zusammengeschaltet werden können.

Hierzu war im Fall von MTP allerdings auch immer ein MTP-fähiges Prozessleitsystem vonnöten. Ein herstellerunabhängiger Automatisierungsansatz, der Hardware und Software (Entwicklungsumgebungen) ohnehin grundlegend voneinander entkoppelt, schafft hier völlig neue Voraussetzungen.

Neue Bedingungen für eine modulare Prozessindustrie

Ein auf IEC 61499 basierendes Automatisierungs-Tool wie Ecostruxure Automation Expert bildet den Missing Link, den es für die marktreife Umsetzung von MTP gebraucht hat. Leif Jürgensen, NextGen Automation Solution Incubator bei Schneider Electric und von Anfang an maßgeblich in die Zusammenarbeit mit GEA involviert, verdeutlicht den Zusammenhang: „Da es sich bei Ecostruxure Automation Expert nicht nur um ein Engineering-Tool, sondern zugleich um eine Art virtuelle Steuerung mit eventbasiertem Ausführungsmodell handelt, ist unsere Softwarelösung ideal dafür geeignet, als übergreifendes Prozessleitsystem für MTP-Module zu fungieren.“

Dazu wird Ecostruxure Automation Expert einfach auf dem gleichen Server wie ein vorhandenes Scada oder MES-System installiert und die MTP-Module können, nach dem Einlesen der MTP-Dateien in die Entwicklungsumgebung, direkt in Form von automatisch generierten Softwarebausteinen zur gewünschten Anwendung oder Sequenz kombiniert werden.

Die eingangs formulierten Bedingungen für eine modularere und flexiblere Prozessindustrie sind dabei erfüllt: Denn auf Basis eines wirklich herstellerunabhängigen Automatisierungsansatzes, wie er mit dem Ecostruxure Automation Expert umgesetzt werden kann, sind sämtliche Module, Package Units oder Skids (die für einen je eigenen verfahrenstechnischen Abschnitt stehen) von Anfang an interoperabel. Eine nachträgliche Konfiguration von Kommunikationsschnittstellen oder sonstige, möglicherweise fehleranfälligen Engineering-Tätigkeiten sind nicht mehr gefordert.

Auf diese Weise können Module in einer zentralen Softwareumgebung ohne spezielle Programmierkenntnisse zu beliebig komplexen Prozessen zusammengeschaltet und von dort aus ausgeführt werden. Außerdem ist es nicht mehr zwingend nötig, bestehende Prozessleit- oder Managementsysteme um eine MTP-Schnittstelle zu erweitern.

Herstellerunabhängige Softwareschicht

Als Ergänzung zu solchen Systemen schafft Ecostruxure Automation Expert eine herstellerunabhängige und von der Hardware abstrahierte Softwareschicht, in die sich die jeweils benötigten MTP-Module in Form von Funktionsblöcken oder CATs integrieren lassen. Da innerhalb dieser Softwareschicht auch sämtliche Komponenten einer Anlage herstellerübergreifend vernetzt und alle Betriebsdaten an einem Ort zusammengefasst sind, wird damit ein guter Zugriffspunkt für übergeordnete und möglicherweise schon vorhandene Überwachungs- und Analysesysteme geboten. Für den ausfallsicheren Betrieb sensibler, prozesstechnischer Anlagen ein entscheidender Punkt.

„Im Grunde genommen ist es naheliegend, dass gerade ein herstellerunabhängiger Automatisierungsansatz riesiges Potenzial für eine modulare Prozessindustrie bereithält,“ resümiert Automatisierungsexperte Eickhoff seine im Projektverlauf gesammelten Erfahrungen.

Für ihn ist klar, dass die praktische Umsetzung modularer Konzepte den hohen Ansprüchen prozesstechnischer Anlagen genügen muss. „Insofern hat unser mit Schneider Electric durchgeführtes Proof of Concept Symbolcharakter: Beim Thema herstellerunabhängige Automatisierung sind wir mittlerweile an einem Punkt angekommen, an dem wir auch aus Anwendersicht bestätigen können: Es funktioniert.“