Chemie in 4.0 Wänden

Produktionscontainer für die Chemieindustrie 4.0

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06.12.2016 Die Namur-Hauptsitzung beherrschte wieder das Thema Industrie 4.0 und modulare Automation. Der Beitrag beschreibt, wie sich eine modulare Automation in der Prozesstechnik umsetzen lässt, was es zu beachten gilt und welche Vorteile sich daraus für alle Beteiligten ergeben.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • In der chemischen und petrochemischen Industrie sind hauptsächlich Großanlagen zu finden. Sie sollen Produkte unter optimalen Bedingungen in großer Menge und gleichbleibender Qualität sowie einem wettbewerbsfähigen Preis herstellen.
  • Doch wie gestaltet sich die Automatisierung von Anwendungen, in denen kleine Mengen flexibel sowie zu überschaubaren Kosten zu produzieren sind?
  • Die Antwort könnten intelligente Module sein.

Hier ist Beständigkeit das oberste Prinzip: Bei der Herstellung von Kraftstoffen handelt es sich um einen stabilen Prozess, dessen Rohstoffe und Endprodukte über einen langen Zeitraum gleich bleiben. In der pharmazeutischen Industrie und der Feinchemie hat sich diese Situation jedoch in den vergangenen Jahren geändert. So entwickeln Pharmaunternehmen beispielsweise immer ausgefeiltere Medikamente gegen Krankheiten wie Krebs. Zur Bekämpfung einer solchen Diagnose kommt keine Standard-Arznei zum Einsatz, wie es bei einer einfachen Erkältung der Fall ist. Vielmehr sind die Heilmittel exakt auf den jeweiligen Patienten und seine spezielle Art der Erkrankung zugeschnitten. Dazu müssen die chemischen Anlagen stetig kleinere Mengen an hochwirksamen Stoffen produzieren können. Um diese Art der chemischen Fertigung zu realisieren, benötigt die Industrie immer flexiblere Anlagen. Zudem erweist sich der Bedarf an einzelnen Wirkstoffen als fortlaufend geringer. Gleichzeitig müssen sie in beständig kürzerer Zeit zur Verfügung stehen. Derartigen Anforderungen begegnet die Industrie schon heute durch modular aufgebaute Anlagen. Derzeit kommen allerdings keine standardisierten, sondern unternehmensspezifische Lösungen zum Einsatz.

Modularisieren einzelner Prozesse in Module

In der Feinchemie zeigt sich eine ähnliche Situation: Reichten früher einige Grundstoffe aus, die in großen Mengen geliefert wurden, haben sich die Rahmenbedingungen auch hier geändert. Der Trend des Endverbrauchers zu individuellen Produkten – beispielsweise einer besonderen Lackierung seines PKW – resultiert im Herstellen stetig kleinerer Losgrößen. Konnte der Käufer eines Autos vor vielen Jahren zwischen drei Außenfarben wählen, hat er bereits drei unterschiedliche Farbqualitäten als Alternative im Angebot – und jede davon mit jeweils mindestens vier verschiedenen Farben. Das Beispiel betrifft nicht nur den PKW-Sektor, sondern weite Bereiche der chemischen Industrie. Vor diesem Hintergrund gab es in der näheren Vergangenheit schon Konzepte prototypischer modularer Anlagen. Hier verpacken die Entwickler beispielsweise einzelne Prozesse in Module, aus denen sich wiederum ein Produktionscontainer zusammensetzt. Der Container lässt sich dann an einem Standort entwickeln, bauen, testen und in alle Teile der Welt verschicken. Auf diese Weise sind die chemischen Stoffe dezentral und damit dort herzustellen, wo die Abnehmer sie benötigen. Reicht das Produktionsvolumen nicht mehr aus, kann der Betreiber statt eines Scale-up einfach durch ein Numbering-up einen zweiten Container erstellen. Dieser Vorgang erfordert deutlich weniger Zeit und Geld, da sich der Prozess nicht ändert – er steht ja bereits in stabiler Form zur Verfügung. Fragen die Konsumenten zu einem späteren Zeitpunkt eine geringere Menge des Produkts nach, eröffnen sich dem Betreiber zwei Möglichkeiten: Entweder transportiert er den Produktionscontainer an einen anderen Ort, an dem entsprechender Bedarf besteht, oder er wandelt das Modul so ab, dass er damit andere chemische Produkte herstellen kann.

Lokale Steuerung der verschiedenen Module

Um die genannten Anforderungen erfüllen zu können genügt es nicht, eine prozesstechnische Anlage in einzelne modulare Einheiten zu unterteilen und diese weiterhin zentral zu steuern. Vielmehr bedarf es eines Konzepts, das eine lokale Steuerung der jeweiligen Module umfasst. Eine zentrale Steuerung des gesamten Prozesses findet natürlich weiter statt. Zum Umsetzen dieses Ansatzes müssen sich die intelligenten lokalen Einheiten schnell in das entsprechende Prozessleitsystem einbinden lassen. Darüber hinaus wird es Anlagen geben, die sich aus modularen und nicht modularen Teilen zusammensetzen. Oder Betreiber integrieren erste Module in eine vorhandene nicht modulare Anlage. Die Konzepte zum Realisieren von Industrie 4.0 in der Prozesstechnik berücksichtigen die beschriebenen Szenarien. Die Industrie-4.0-Ansätze funktionieren jedoch nur dann, wenn sich die Endanwender über Organisationen wie die Namur und die durch den ZVEI vertretenen Automatisierungshersteller gemeinsam mit den Herstellern der Package Units an einen Tisch setzen. Solche Treffen sind in den letzten Jahren erfolgt. In diesem Rahmen entwickelten die Endanwender mit der NE148 ein Lastenheft, das sämtliche Anforderungen an die Hersteller der Package Units zusammenfasst. Ferner hat der ZVEI einen Arbeitskreis gebildet, dessen Mitglieder im ersten Schritt ein Whitepaper generiert haben. Das Papier erläutert, wie eine modulare Anlage aus dem Blickwinkel der Automatisierung umgesetzt werden kann.

Einfaches Einbinden der Steuerungssysteme

Der erste Schritt einer gemeinsamen Lösung wurde auf der diesjährigen Namur-Hauptsitzung vorgestellt. Dort haben verschiedene Automatisierungshersteller eine vorher definierte Conti-Prozess-Anlage beschrieben. Aus den von ihnen genutzten Engineering-Tools erzeugten sie ein MTP (Modul Type Package). Dieses MTP bildet zunächst die Visualisierung des Prozess-Moduls in einem standardisierten XML-Format ab. Die XML-Datei kann der Anwender anschließend in eines von mehreren Prozessleitsystemen importieren. Die jeweilige Prozessleittechnik-Software ist nun in der Lage, die unterschiedlichen Steuerungssysteme der verschiedenen Hersteller einzubinden; für den Endanwender sehen die einzelnen Module identisch aus. Er verwendet ihre Funktion und muss sich nicht näher mit der jeweiligen Realisierung befassen. Die Funktion kann der Verfahrenstechniker zu einem Gesamtprozess zusammenfügen, ohne dass er einzelne Bits und Bytes mühsam aus langen Listen heraussuchen muss. Alle Module verhalten sich nach einem gemeinsam verabschiedeten Standard. Welche Vorteile ergeben sich also für den Endanwender aus der chemischen Industrie? Das schnellere Time-to-Market wurde bereits angesprochen: Ein Grippemittel, das lediglich zwei Monate zu spät auf den Markt kommt, ist unverkäuflich. Die Wiederverwendbarkeit der separaten Module spart viel Zeit und Geld. Gleiches gilt für die flexible Adaption an die benötigte Produktmenge sowie die Fokussierung der Mitarbeiter auf ihr eigentliches Know-how. Ein Verfahrenstechniker möchte sich nicht mit dem Generieren von Kälte und Druckluft beschäftigen. Er zielt auf das Optimieren der chemischen Prozesse im Unternehmen ab. Nicht zu vergessen, dass sich die Module besser von den Zulieferern bereitstellen, warten und unter Umständen anpassen lassen. Im Service- und Austauschfall verringert sich ebenfalls der finanzielle und zeitliche Ressourcenbedarf, denn die Module sind vorhanden und können einzeln instandgehalten respektive ausgewechselt werden.

Nutzung der gleichen Software-Konzepte

Insgesamt bietet die modulare Automatisierung in unzähligen Bereichen der chemischen Industrie neue Möglichkeiten, um die immer individuelleren Kundenwünsche zu vertretbaren Kosten zu befriedigen. Daraus leitet sich ein Alleinstellungsmerkmal für die Hersteller ab. Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 wird somit gleichzeitig in der Prozess- und Fertigungstechnik entwickelt. Dabei werden die unterschiedlichen und spezifischen Anforderungen der Prozesstechnik mit den gleichen Software-Konzepten gelöst, die in der Fabrikautomation zum Einsatz kommen. Aufgrund der hohen Flexibilität der Produktion bei gleichzeitig hoher Qualität der erzeugten Produkte darf die Bevölkerung der nächsten Grippewelle folglich entspannt entgegensehen.

Zur Umstellung auf Industrie 4.0: Zertifizierte Produkte als Grundlage

Phoenix Contact beschäftigt sich bereits seit vielen Jahren mit dem Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Der Schwerpunkt der Aktivitäten lag in der Vergangenheit eher im Umfeld der Factory Automation. Doch auch in der Prozesstechnik kommt den Industrie-4.0-Konzepten eine steigende Bedeutung zu. Dazu werden für diesen Industriebereich optimierte Software-Schnittstellen – wie im MTP (Modul Type Package) beschrieben – zur Verfügung gestellt. Die Grundlage für die Umsetzung des Zukunftsprojekts bildet dabei das große Produktspektrum, das die für den Einsatz in der Prozessindustrie notwendigen Zertifizierungen – wie Atex, IECEx, Class 1 DIV 2 – bietet. Das Portfolio des Unternehmens umfasst hier die gesamte Bandbreite von der Klemme über Netzteile und die Signalanpassung bis zu Steuerungen und dem zugehörigen Engineering-System PC Worx. Nur so ist es möglich, die Signale aus dem Feld intelligent und Industrie-4.0-konform an das Prozessleitsystem zu übergeben.

Hier finden Sie einen Link zum Unternehmen.

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Heftausgabe: Dezember 2016
Claus Vothknecht, System Manager  Process Industry, Phoenix Contact  Electronics

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Claus Vothknecht, System Manager Process Industry, Phoenix Contact Electronics
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