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Parallel statt seriell

Einfache MTP-Generierung für modulares Anlagendesign

22.10.2019 Lieferanten von Prozessmodulen können sich einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, wenn sie die automatisierungstechnische Integration ihrer Maschinen in die Gesamtanlage so leicht wie möglich machen. Mit Module Type Packages (kurz MTPs) wird dies vereinfacht. Die neue Engineering-Plattform MTP Designer ermöglicht das Modellieren per Mausklick. Sie erlaubt es zudem, parallel zur MTP-Erstellung an der Programmierung des PLS zu arbeiten. So geht noch weniger Zeit bis zur Inbetriebnahme der Gesamtanlage verloren.

Modulbasierte Anlagen versprechen große Produktivitätsgewinne. Insbesondere in der Pharmaindustrie und Feinchemie erwarten sich viele Betreiber mehr Flexibilität durch den modularen Aufbau, der es gestattet, Anlagenteile schnell zusammenzustellen, in Betrieb zu nehmen und unproblematisch wiederzuverwenden. Daraus resultierende kürzere Projektlaufzeiten sollen die Markteinführung neuer Produkte beschleunigen.

In Labor- und Technikumsanlagen sind ebenfalls Bausteine wie Feedingmodule, Reaktoren und Separatoren zusammenzuschalten – und das bei einer Umkonzeptionierung der Versuchsanordnung immer wieder neu. Auch bisher schon sind Technikumsanlagen nach dem Upscaling des Prozesses, für dessen Entwicklung sie genutzt wurden, sozusagen als Gerätespender eingesetzt worden. Um einzelne Apparate und Geräte wiederzuverwenden, mussten die Anlagenprogrammierer jedoch in der Regel nahezu von null beginnen.

In all diesen Fällen ist es sinnvoll, die Anlagen von vorneherein als eine Kombination wieder nutzbarer automatisierter Module zu konzipieren. Damit wandert ein erheblicher Teil der Steuerungs- und Regelungsintelligenz vom Prozessleitsystem in die Module, die ihre Funktion als Dienst zur Verfügung stellen. Ein Reaktor inklusive einer Steuerung und der verschiedenen Messstellen, die für seinen Betrieb nötig sind, kann weitgehend komplett weiterverwendet werden.

Plug and Produce mit Prozessmodulen

Der Namur-Arbeitskreis 1.12 Module/Plug and Produce wird künftig den Rahmen vorgeben, wie die Automatisierungstechnik für derartige modulare Anlagen beschaffen sein sollte. Unter Mitwirkung des ZVEI und des VDMA soll die NE148 anwendbar werden. Bereits 2013 hat die Namur darin erörtert, welche Anforderungen an die Automatisierungstechnik durch die Modularisierung verfahrenstechnischen Anlagen bestehen.

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Bild 1: Mit dem Module Type Package (MTP) liefert der Modulbauer alle Informationen, um das automatisierte Modul in die übergeordnete Prozesssteuerung zu integrieren.

Insbesondere sind herstellerübergreifende Standards für die Modularisierung von Automatisierungssystemen erforderlich. Als ein solcher Standard etabliert sich mehr und mehr MTP (Module Type Package), das Prozessmodule funktional beschreibt und ihre Einbindung in übergeordnete Automatisierungsplattformen der Gesamtanlage, beispielsweise Prozessleitsysteme, erleichtert.

Ein solches MTP, also die digitale Beschreibung des Anlagenmoduls inklusive Visualisierung in Form eines Bedienbilds, vermeidet viel Engineering-Arbeit und reduziert somit die Investitionskosten für die Gesamtanlage deutlich. Außerdem kann es als Baustein für Industrie 4.0 in der Prozessindustrie gelten (Bild 1).

Erste Modulbauer sammeln Erfahrung mit MTP

Noch ist die Standardisierung des MTP-Ansatzes im Werden begriffen. Für eine größtmögliche Flexibilität beim Einsatz automatisierter Anlagenmodule müssen vor allem Schnittstellen und funktionale Gestaltung vereinheitlicht werden. Erste Modulbauer bieten MTPs schon an, wenngleich sich die Entwicklung der MTPs dort noch im Projektstadium befindet. Auch diverse Automatisierungsteams in Chemie- und Pharmakonzerne sammeln zurzeit Erfahrung, zum Teil anhand selbst konzipierter Anlagenmodule.

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Bild 2: Das R&I-Schema des Anlagenmoduls ist die Basis für die MTP-Beschreibungsdatei. MTP Designer soll künftig das händische Anlegen von Hunderten von Variablen minimieren.

Im Technikum ist die Zusammenstellung von Anlagen aus Modulen ohnehin naheliegend. Die häufigen Modifizierungen werden erheblich vereinfacht, besonders, wenn sich die Entwickler ihrem eigentlichen Metier widmen können.

Mit dem Modul-Engineering-Tool MTP Designer wird aus den R&I-Schemata der Verfahrenstechniker quasi auf Knopfdruck die MTP-Beschreibungsdatei generiert. Bislang ist das Angebot an MTP-Generatoren gering. Verfügbare Tools basieren auf dem Anlagen-Engineering in zwei Schritten. Der Modulhersteller projektiert das Modul und erzeugt das MTP. Im nächsten Schritt werden die MTPs vom Anlagenbetreiber integriert und im Anlagen-Engineering bei der Projektierung der Gesamtanlage genutzt (Bild 2).

Paralleles Modul- und Anlagen-Engineering

Mit MTP Designer stellt Phoenix Contact eine alternative Vorgehensweise vor, die zusätzlich Zeit spart. Modul-Engineering und Anlagen-Engineering laufen parallel ab. Das R&I-Schema ist die Basis für die lokale Visualisierung der Steuerung. Parallel zur Generierung eines Programmcode-Rumpfs werden die gesamten Schnittstellen (OPC UA) für die spätere Datenübertragung festgelegt. Angedacht ist ein automatisierter Prozess zur Übernahme der R&I-Schemata aus gängigen verfahrenstechnischen Anlagenplanungs-Tools.

In der MTP-Beschreibungsdatei sind die Schnittstellen ebenfalls formal nach VDI/Namur-Norm (siehe Kasten) beschrieben. Der Programmierer des Prozessleitsystems hat somit bereits zu einem frühen Zeitpunkt alle nötigen Informationen: eine Darstellung dieser Visualisierung als Ableitung aus dem R&I-Schema sowie sämtliche Schnittstellen, die für die Übernahme der notwendigen Daten erforderlich sind.

Konfigurieren statt programmieren

Das Konfigurations-Tool MTP Designer, das Phoenix Contact erstmals auf der Hannover Messe 2019 vorstellen wird, erzeugt also nicht nur MTPs, die alle Informationen zur Einbindung des Moduls ins PLS beinhalten. Es sorgt darüber hinaus für weitere Erleichterungen für den Modulprogrammierer. Ebenso wie das MTP kann er auf Knopfdruck ein Projekt für die PLCnext-Steuerung von Phoenix Contact generieren.

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Bild 3: Mit MTP Designer kann der Modulprogrammierer auf Knopfdruck auch ein Projekt für das Steuerungskonzept PLCnext erzeugen.

Letztlich lässt sich seine Arbeit eher als Konfigurieren umschreiben; das eigentliche Programmieren ist lediglich in Ausnahmefällen nötig. Das händische Anlegen verschiedener Variablen – in vielen Projekten umfasst das eine dreistellige Zahl – wird minimiert. Zudem werden bestimmte Verknüpfungen grafisch ansprechend visualisiert. Mittelfristiges Ziel ist, dass der Programmieraufwand für die Steuerung deutlich reduziert wird.

Sollten Geräte auf proprietäre Protokolle setzen, ist der Modulprogrammierer gefordert, die Übertragung über diese Protokolle an die definierten Schnittstellen zu realisieren (Bild 3).

Durch die parallele Arbeit der Programmierer (des Modulherstellers) am Modul-Engineering inklusive MTP-Generierung sowie der PLS-Programmierer (des Systemintegrators oder Betreibers) am übergeordneten System wird gegenüber der seriellen Erarbeitung erheblich Zeit gespart.

Modulare Erweiterung konventioneller Großanlagen

Wichtig bleibt auch bei diesem neuen Tool für das MTP-Engineering, dass die Planer schon bei der Konzeption der Anlage den modularen Ansatz berücksichtigen. Künftig wird jedes Modul eine eigene Steuerung haben. Anschaulich wird es, wenn man sich die einzelnen Module als Container vorstellt, die man nur nebeneinanderstellen muss. Mehrere dieser Teilanlagen müssen dann lediglich mechanisch verbunden und mit Hilfe ihrer MTPs im PLS automatisierungstechnisch zusammengeschlossen werden.

Die Erweiterung von konventionell automatisierten Anlagen mit dezentral automatisierten Modulen könnte in Zukunft ebenfalls über MTPs vereinfacht werden. Das Einsparpotenzial an Engineering-Kosten, aber vor allem an Zeit, fällt dabei besonders ins Gewicht. Die erweiterte Anlage steht so schnell, ohne weiteres PLS-Engineering, zur Verfügung – allein durch Importieren der MTP-Datei inklusive Visualisierung. Ein Produktionsstillstand oder die Verzögerung der Inbetriebnahme der erweiterten Anlagen kann vermieden oder auf ein Mindestmaß reduziert werden.

Standard für Modulschnittstellen

Im Fachausschuss „Zukünftige Architekturen in der Automation“ definieren Experten von VDI, ZVEI und Namur derzeit die Spezifikation von Modulschnittstellen zur Verwendung in modularen Anlagen (VDI/VDE/Namur 2658). Die Richtlinie, die vornehmlich die Verfahrenstechnik betrifft, basiert auf der NE148. Zur Beschreibung von Modulen nutzt sie das Module Type Package, das die Integration von Modulen in eine Prozessführungsebene ermöglicht. Es werden Schnittstellen und Funktionen der Automatisierungstechnik des jeweiligen Moduls definiert. Dazu gehört eine Bedienbildbeschreibung. Neben einem allgemeinen Konzept greift die Richtline Aspekte wie Datenobjekt-Bibliothek (Blatt 3 – angekündigt für März 2019), Modellierung von Moduldiensten sowie Laufzeit- und Kommunikationsaspekte auf. Auch die Themen Diagnose, Alarmmanagement, funktionale Sicherheit und Validierung sollen bearbeitet werden.

MTP macht aus Maschinenbauern Modulanbieter

Derzeit befindet sich das Konfigurations-Tool MTP Designer im einem fortgeschrittenen Entwicklungsstadium. Korrespondierend zur Richtline VDI/VDE/Namur 2658 wird es weiterentwickelt und auf die Belange der Kundenwünsche angepasst.

Der erste Prototyp ist auf der Hannover Messe zu sehen. Auf der Namur-Hauptsitzung, deren Sponsorschaft Phoenix Contact 2019 übernommen hat, wird MTP Designer dann im Detail vorgestellt werden. Letztlich soll dieses Tool es Modulbauern so leicht wie möglich machen, künftig noch stärker die Wünsche und Belange ihrer Kunden zu erfüllen – indem sie ihre Maschinen und Anlagenteile zu intelligenten Modulen und Steuerungen weiterentwickeln, die einfach und schnell zu integrieren sind. 

Bildergalerie Enhanced Connectivity:

 

Mehr Informationen:

www.phoenixcontact.de/prozess

Über den Autor

Oleg Makarov

Mitarbeiter im System Management Process, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

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