Flexible und modulare Wasser-Filtrationsanlagen erfordern autarke intelligente Units. Hier kommen Prozessindustrie und Fertigungsindustrie zusammen – und damit auch die Ansätze der Industrie 4.0, der vierten industriellen Revolution. Die Digitalisierung und Vernetzung ermöglicht es, automatisierte Module auf der Feldebene einfach und zuverlässig mit einem übergeordneten Leitsystem zu verbinden und gleichermaßen die Kommunikation untereinander herzustellen – genauso wie Lego-Steine einfach ineinander geklickt ein festes, aber dennoch variables Gefüge ergeben.
Stand der Technik: zentrale Automation
Derzeit sind Design und Engineering von verfahrenstechnischen Anlagen exakt auf die jeweilige Aufgabe zugeschnitten: Produktion einer definierten Menge eines Produktes in einer vorgegebenen Zeiteinheit. Die mechanische Ausführung einer Gesamtanlage ist darauf ausgerichtet, die Spezifikation zu erfüllen und die gewünschten Leistungsdaten über den gesamten Lebenszyklus der Anlage zu gewährleisten. Für die zugehörige Automation kommen Leitsysteme zum Einsatz, die aus prozessnahen Komponenten, Bedien- und Beobachtungsstationen und Engineering-Stationen bestehen. Der gesamte verfahrenstechnische Prozess wird zentral von einem Leitsystem bedient und beobachtet. Für Änderungen/Optimierungen des Prozessablaufs, auch von Teilprozessen, sind detaillierte Kenntnisse der gesamten Applikationssoftware erforderlich.
Eine vom Anlagenbetreiber gewünschte Erweiterung der Produktionskapazität kann nur mit erheblichem Aufwand auf der verfahrenstechnischen Seite und auch im Automatisierungssystem realisiert werden. Auch die Verringerung einer Produktionskapazität ist problematisch, weil dies Auswirkungen auf die Produktqualität haben kann und zweifelsohne die Rentabilität der Anlage nicht mehr gegeben ist. Wartung und Instandhaltung derartiger Anlagen stellen besondere Herausforderungen an den Betreiber, beispielsweise im Hinblick auf den zyklisch erforderlichen Ab- und Anfahrvorgang eines kontinuierlichen Prozesses.
Auch in der Wasseraufbereitung ist Industrie 4.0 die Lösung
Um die Wettbewerbsfähigkeit in immer volatileren Märkten zu erhalten, werden flexiblere Produktionsprozesse benötigt, wie sie im Leitbild „Industrie 4.0“ beschrieben sind. Voraussetzung dafür sind adaptive, sich selbst konfigurierende und selbstorganisierende flexible Wasseraufbereitungsanlagen mit einem hohen Vernetzungsgrad. Bei Anlagen mit verschiedenen Filtrationstechnologien ist die verfahrenstechnische und funktionale Modularisierung von Teilanlagen ein sinnvoller Schritt.
Je nach Standort der Fabrik ist die Verschmutzung des Rohwassers sehr unterschiedlich. Aus diesem Grund sind mehrere Aufbereitungsschritte nötig, um qualitativ hochwertiges Wasser zu erhalten. Ein Mix verschiedener Teilanlagen wie Kiesfilter, Ionentauscher, Ultrafiltrations- oder Umkehrosmoseanlagen und einer Pumpstation schafft Abhilfe. Zusätzlich schwankt die Absatzmenge des Endproduktes auf dem Konsumgütermarkt stark. Dies führt dazu, dass auch die Verbrauchsmengen von Produkt- und Prozesswasser stark schwanken. Umso wichtiger ist daher eine flexible Wasseraufbereitung, die auf modularen Teilanlagen mit zugeordneter Automation beruht.
Modulare Anlagen erfordern neue Konzepte der Automatisierung
Jedes Modul trägt in sich die vollständige Automation, die es für die Abarbeitung seines eigenen Prozesses benötigt. Die Automation könnte auch ein zentrales Leitsystem übernehmen. Ein Leitsystem ist jedoch für modulare Anlagen mit der Forderung des einfachen Austausches einzelner Module nicht ausgelegt. Verfahrenstechnische Module benötigen eine kleine, anpassbare und autarke Automatisierung.
Durch die Umsetzung dezentraler, intelligenter Lösungen in den einzelnen Modulen entfällt die Neuprogrammierung und -konfiguration der Applikationssoftware. Die Module können mit niedrigstem Aufwand in die automatisierungstechnische Gesamtlösung der Produktion integriert werden. Damit kann der Betreiber eine Vielzahl automatisierter Module der Anlage beifügen, ohne die Automatisierungstechnik der Gesamtanlage ausbauen zu müssen. „Es geht darum, Anlagen einfach erweitern oder modifizieren zu können, um nicht sofort in großtechnische Anlagen gehen zu müssen, eben Numbering-up statt Scale-up“, erklärt Dr. Eckhard Roos, Leiter Key Account und Industry Segment Management Process Automation bei Festo.
Automatisierungsplattform für SPS, Remote I/O und Pneumatik
Als zentraler Baustein einer modularen Automation sind Automatisierungsplattformen wie CPX von Festo geeignet. CPX kann neben dem pneumatischen Teil mit ihren Ausführungen in IP65/67 auch eine SPS sowie Remote-IOs für viele Sensoren wie etwa Drucküberwachung und Durchfluss-, Leitfähigkeits- oder Temperaturmessung modular aufnehmen. Damit lässt sich in der Wasseraufbereitung die Automatisierung von Skids in unterschiedlichen Ausprägungen – je nach gewünschtem Anwendungsfall – aufbauen. Dieses Konzept lässt sich besonders gut bei voll transportablen Filtersystemen für einen geringen Wasserbedarf von bis zu 1.000 m³ pro Tag anwenden. Die transportablen Filtersysteme ermöglichen es, die Wasserproduktion sehr schnell in Betrieb zu nehmen.
Kommen beispielsweise Pumpen-Skids aufgrund ihrer geringen Komplexität mit wenigen Ventilscheiben im pneumatischen Teil der CPX/MPA aus, so benötigen etwa Filtrations-Skids analoge Eingänge für die Drucküberwachung und Messung von pH-Wert, Trübung oder Leitfähigkeit. Hinzu kommen auch analoge Ausgänge für Regelarmaturen oder auf der CPX/MPA integrierte Druckregelventile für einen Membran-Integritätstest. Die Skids müssen autonom funktionieren und extrem zuverlässig sein. Sie kommunizieren kontinuierlich mit einer Master-Steuerung, die das Management des Gesamtsystems organisiert. Vorteilhaft an den Skids ist auch, dass die Kosten für Verkabelung und Verdrahtung vergleichsweise niedrig sind.
Das sind aber nicht die einzigen Vorteile der modularen Automation. Bei Integration eines zusätzlichen Verfahrensschrittes in die Wasseraufbereitungsanlage lässt sich durch den Einsatz von Modulen das Engineering beschleunigen und kostengünstiger gestalten. Eine Erweiterung erfordert nicht die Anpassung des Automatisierungskonzeptes der Gesamtanlage. Es genügt, die automatisierten Module in das Managementsystem zu integrieren. Damit ist eine reibungslose Kommunikation zwischen den verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide gewährleistet.
Nachteile? Nein – nur Vorteile. Auch für OEMs
Für OEMs bedeutet das modulare Konzept aber auch, Kleinserien von einheitlichen Modulen oder Skids schon auf Lager fertigen zu können. Damit erzielen sie Skalenerträge in der Produktion sowie in der Montage und senken ihre Kosten. Zusätzlich erhöhen sie ihre Lieferfähigkeit und ermöglichen den Endkunden, mit den richtigen Produktionsmengen neuer Produkte früher am Markt auftreten zu können. „Gelingt dann noch die Bedienung, Wartung und Instandhaltung der prozesstechnischen Anlagen über mobile Endgeräte, ist ein weiterer Brückenschlag zu Industrie 4.0 realisiert“, ergänzt Automatisierungsexperte Dr. Eckhard Roos.
Tipp: Auf www.festo.com/modular erleben Sie, wie sich modulare Automation von ihren Anfängen 2016 entwickeln wird: ein zwar fiktiver aber durchaus realistischer Blick auf zehn Jahre Entwicklung der modularen Produktion bis 2026.
