September 2014
| von Ulrich Hempen ist Leiter Market Management Prozesstechnik bei Wago Kontakttechnik
  • Mit Package Units soll sich eine prozesstechnische Produktionsanlage künftig nach dem Plug-and-play-Prinzip zusammenstellen lassen. Neben einer flexibleren Produktion können Anlagen so deutlich schneller errichtet werden.
  • Eine zentrale Forderung der Anwender besteht darin, dass jede Package Unit autark arbeiten kann. Die Automatisierungstechnik soll deshalb laut Namur-Empfehlung NE 148 weitgehend autark funktionieren.

Das Konzept der Package Units, mit denen sich prozesstechnische Anlagen modular aufbauen lassen, ist schon einige Jahre alt. So hat bereits 2009 das von der Europäischen Union geförderte  F3-Konsortium Konzepte für modulare Produktionsanlagen in der Prozessindustrie vorgestellt (siehe Link zu CT-Beiträgen am Ende des Artikels). Das Konzept kann vereinfacht zusammengefasst werden: Eine prozesstechnische Produktionsanalge soll sich nach dem Plug-and-Play-Prinzip zusammenstellen lassen. Als Ergebnis erhält man eine flexiblere und effizientere Produktion. Der Zeitraum von der Entscheidung für die Errichtung einer Anlage bis zur Inbetriebnahme wird deutlich verkürzt. Erste Beispiele für Package Units sind bereits am Markt.

Passende Automatisierungsarchitektur notwendig
Der Aufbau aus Package Units hat auch Konsequenzen für die Automatisierungsarchitektur einer prozesstechnischen Anlage – und überdies ganz allgemein für die gesamte elektrotechnische Ausstattung. Jede Package Unit muss im Wesentlichen autark arbeiten können. Die Automatisierungstechnik soll gemäß der Anforderungen aus der Namur, definiert in der Namur-Empfehlung NE 148, weitgehend autark funktionieren. Dafür muss die Package Unit mit einer Steuerung ausgerüstet sein, die sämtliche internen Abläufe regelt, steuert und überwacht. Die Anbindung an ein übergeordnetes System erfolgt über standardisierte Schnittstellen und zu definierende Protokolle.
Eine Package Unit besteht neben der eigentlichen Verfahrenstechnik noch aus vielen weitere Komponenten, die zur reibungslosen Funktion notwendig sind. Ein wichtiger Bestandteil ist hierbei die gesamte Elektrotechnik inklusive der  Automatisierungs-
und Steuerungstechnik. Viele Komponenten in der Prozesstechnik müssen mit elektrischer Energie versorgt werden. Typische elektrische Verbraucher sind beispielsweise Elektromotoren für Pumpen, Kompressoren oder Rührwerke sowie elektrische Heizungen. Innerhalb einer Package Unit ist in der Regel ein Schaltschrank oder ein Gehäuse für die Elektrotechnik integriert. Hier findet neben der Energieverteilung auch die Automatisierungstechnik Platz.
Zentraler Bestandteil einer Automatisierungslösung ist die Steuerung, deren Programm in Abhängigkeit von den Eingangssignalen der Sensoren die Aktoren ansteuert. Für den Einsatz in Package Units eignet sich das I/O-System 750 von Wago in besonderer Weise: Seine Koppler und Controller für unterschiedliche Feldbusse lassen sich durch mehr als 400 verschiedene I/O-Module ergänzen. Die große Skalierbarkeit stellt sicher, dass für praktisch jedes übliche Signal ein passendes I/O-Modul verfügbar ist. Das Spektrum reicht von einfachen analogen Ein- und Ausgängen bis hin zu Klemmen für spezielle Bussysteme. Müssen auch größere Verbraucher – zum Beispiel ein Ventil – geschaltet werden, stehen entsprechend hoch belastbare Relais zur Verfügung.
Das I/O-System eignet sich für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 2. Mit speziellen eigensicheren digitalen und analogen Modulen lässt sich Peripherie in den Zonen 0 und 1 anbinden. Hierbei ist ein gemischter Betrieb von Ex- und Nicht-Ex-Signalen an einem I/O-Knoten problemlos möglich. Auch bei der Kommunikation mit übergeordneten Systemen stehen dem Anwender mit dem I/O-System alle Möglichkeiten offen: Die Controller und Koppler sind mit allen gängigen Kommunikations- und Busschnittstellen erhältlich, die eine einfache Einbindung in ein Prozessleitsystem ermöglichen.
Für die einfache Installation im Schaltschrank sorgen Reihenklemmen. Die Klemmen der Serie X-Com S sind sogar als Ausführung für explosionsgefährdete Bereiche erhältlich. Sie erfüllen die Zündschutzart nA (nichtfunkendes Betriebsmittel) gemäß DIN EN 60079.
Stromversorgungen des Herstellers liefern Spannungen von 12 V oder 24 V, die beispielsweise von der Automatisierungstechnik aber auch von anderen Verbrauchern in einer Package Unit benötigt werden. Die Stromversorgungen sind auch in redundanter Ausführung erhältlich, um den zuverlässigen Betrieb garantieren zu können. Soll eine Package Unit durch eine Vor-Ort-Bedienung ergänzt werden, eignen sich die Bedienpanels der Perspecto-Serie.

Service von der Projektierung bis
zur Inbetriebnahme

Neben den passenden Automatisierungskomponenten werden von Herstellern heute auch für den Aufbau modularer Anlagen Serviceangebote gefordert. So stellt Wago beispielsweise verschiedenen Onlinetools wie das zur Projektierung entwickelte Werkzeug Smartdesigner NG zur Verfügung. Damit lassen sich komplette Systeme online projektieren und die verwendeten Komponenten direkt bestellen. Dabei kann der Anwender die Daten für die Projektierung auch direkt aus E-Planungstools wie z.B. Eplan übernehmen. Über die Anbindung an die Beschriftungssoftware des Herstellers können sämtliche Komponenten direkt gekennzeichnet werden, was bei der Montage einen großen Zeitvorteil bringt.
Auch die Programmierung der Controller ist komfortabel gelöst – das weit verbreitete Codesys ist hier der Standard. In den Controllern ist jeweils ein Webserver integriert, der eine einfache Visualisierung bietet. Diese Visualisierung kann über einen Standard-Webbrowser abgerufen werden, ohne dass zusätzlich aufwändige Systeme notwendig wären. Bei der Inbetriebnahme erhält der Anwender Unterstützung durch die Software I/O-Check, mit der ein I/O-Knoten aus dem I/O-System 750 ohne den Anschluss an ein Feldbussystem bedient werden kann. Die Software ermöglicht es, die Prozessdaten einzelner I/O-Module anzuzeigen und vorzugeben. Damit lässt sich schon während der Inbetriebnahme die feldseitige Verdrahtung inklusive aller vorhandenen Sensoren und Aktoren prüfen.
Fazit: Herstellern von Package Units stehen heute bereits Systeme, Automatisierungslösungen und Serviceangebote zur Verfügung, mit denen die elektrotechnische Seite dieser Module komplett abdeckt werden können.

Interview mit Ulrich Hempen, Wago Kontakttechnik
„Module werden deutlich anders automatisiert“

CT: Wie groß ist der Markt für modulare Anlagen in der Chemie? Wie wird sich dieser entwickeln?
Hempen: Die Marktgröße lässt sich schwerlich beziffern, sie hängt einzig von der Nachfrage nach den zu produzierenden Stoffen ab. Sicher ist aber, dass zukünftige Produktionsanlagen und auch der Umbau bestehender Anlagen mit höherer Flexibilität bezogen auf Produktart, -menge und -ort aufgebaut werden. Daraus folgt eine notwendige Modularisierung der Prozessschritte, die damit auch eine Skalierung der einzelnen Prozesse ermöglicht. Der Markt für die Lieferanten dieser Prozessschritte, eben der Package Units, wird sicherlich deutlich zunehmen.

CT: Worin besteht aus Ihrer Sicht der Hauptunterschied zwischen der Automatisierung eines Anlagenmoduls und einer klassischen Konti-Anlage?
Hempen: Das Basic- und Detailengineering unterscheiden sich deutlich, da die prozesstechnischen Regel- und Steuerkreise im Modul individueller sind. Das typische Massenengineering von einem Regelalgorithmus, der zehn- oder hundertfach instanziiert wird, kommt in der Modulprojektierung nicht vor. Daher arbeitet der Modul- oder auch Package-Unit-Lieferant typischerweise nicht mit prozesstechnischen Planungstools bis auf die Rohrleitungsplanung. Er nutzt sein R&I-Schema und programmiert damit direkt seine SPS. Eine vorgelagerte funktionelle Prozesssignalplanung findet eher selten statt. Darüber hinaus fehlen im Modulengineering typischerweise die Batchprojektierung, die Planung von Rezepturfahrweisen, das Handling der Prozesswerthistorie, Diagnosetools und das Alarmmanagement.

CT: Bislang ist die Rollenverteilung bei der Planung von Chemieanlagen sehr klassisch – die Automatisierung kommt in Projekten erst ganz am Schluss. Gilt das auch für modulare Anlagen?
Hempen: Ja. Auch bei der Modulplanung erfolgt zunächst auf oberster Ebene die reine Produktivitätsplanung mit Input – Funktion – Output, davon ausgehend ein Anlagenpflichtenheft und daraus das R&I-Schema mit Funktionsplan und E-Planung. Die einzelnen Schritte lassen sich aber im Programmieraufwand unter Nutzung von digitalen Importschnittstellen deutlich verringern.

CT: Dezentrale Intelligenz in modularen Anlagen bedeutet auch Schnittstellenprobleme zu lösen. Wo steht die Automatisierung im Hinblick auf Multi-Vendor-Lösungen und wo besteht noch Handlungsbedarf?
Hempen: Dies ist eines der zentralen Themen, die bearbeitet werden müssen. Klassische Systemlösungen bieten typischerweise keine offenen Schnittstellen für die Integration prozesstechnischer Module. Dies gilt übrigens auch für die Schnittstelle in überlagerte Systeme. Es gibt mehrere Ansätze, die vor allem durch die Namur getrieben werden. In der kommenden Namur-Hauptversammlung mit dem Thema „Dezentrale Intelligenz – Neue Wege in der Prozessautomation“ werden wir seitens Wago daher auch ein Konzept vorstellen, das unter anderem darauf eine Antwort bietet.

Hier gelangen Sie zur Hersteller-Webseite zum I/O-System 750 XTR

Hier gibt´s mehr Infos zum Smartdesigner NG

Details zu den Klemmen der Serie X-Com S finden Sie hier.

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