Pumpe wird zur Industrie-4.0-Komponente

Hersteller definieren Industrie-4.0-Verwaltungsschale für Pumpen

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18.04.2019 Wie werden Pumpen industrie-4.0-ready? Diese Frage beschäftigt derzeit Hersteller und interessiert natürlich auch Planer und Automatisierer, die sich davon einfachere Engineering- und Instandhaltungsprozesse sowie die Einbindung in cloudbasierte Anwendungen erhoffen. Die Basis dafür soll eine jüngst fertiggestellte, standardisierte Verwaltungsschale für Pumpen und Vakuumpumpen bilden.

Entscheider-Facts für Planer und Ausrüster

  • Pumpenhersteller der VDMA-Fachverbände Pumpen + Systeme und Kompressoren haben eine Verwaltungsschale spezifiziert, welche Pumpen und Vakuumpumpen zu Teilnehmern in der Industrie-4.0-Informationswelt macht.
  • Die Standardisierungsarbeiten beschreiben hersteller- und typübergreifend Funktionen und Informationen.
  • Aktuell haben die Arbeiten zur Abbildung der Verwaltungsschale in eine OPC-UA-Companion-Specification begonnen.

I40-Verwaltungsschale

Damit auch Pumpen und Vakuumpumpen Teil der digitalen Infrastruktur der Industrie 4.0 werden können, haben Pumpenhersteller der VDMA-Fachverbände Pumpen + Systeme und Kompressoren eine I4.0-Verwaltungsschale spezifiziert. Bild: justcontributor – Adobe Stock

Pumpen und Vakuumpumpen erfüllen in ihrer Grundfunktion des Förderns von Fluiden oder der Verdichtung von Gasen elementare Aufgaben in zahlreichen technischen Prozessen der Prozessindustrie, Gebäudetechnik, der Halbleiter- und Fertigungsindustrie, der Lebensmittelindustrie und Wasserwirtschaft. Zusätzliche Funktionalitäten, wie Selbstüberwachung, die Generation von Zustands- und Diagnoseinformationen, bieten ein großes Potenzial zur Optimierung von Betriebsprozessen.

Informationen zur Identifikation von Pumpen sind essenziell für das Gerätemanagement, Messwerte zum Energieverbrauch wichtige Quelle für Applikationen des Energiemanagements etc. Hochfunktionale Pumpen sind zudem Multivariablengeräte (z. B. Druck, Volumenstrom, Temperatur etc.), da sie im Betrieb Informationen über den Prozess benötigen. Ihr vielfältiger Einsatz und ihre besondere Bedeutung machen Pumpen und Vakuumpumpen daher zu einem wichtigen Asset in den aktuellen Entwicklungen rund um Industrie 4.0.

Verwaltungsschale repräsentiert die Pumpe in der digitalen I4.0-Welt

Industrie 4.0 steht für die intelligente digitale Vernetzung von Produkten und Prozessen zur Optimierung der Wertschöpfungsketten von Herstellern und Anwendern. Zentraler Gegenstand der aktuellen Entwicklungen ist die Industrie-4.0-Komponente, eine Komposition aus Verwaltungsschale und Asset [1]. Die Verwaltungsschale repräsentiert hierbei das Asset – also z. B. eine Pumpe oder Vakuumpumpe – in der digitalen Industrie-4.0-Welt. Sie setzt sich u. a. aus Teilmodellen zusammen, die unterschiedliche Aspekte oder Funktionen des Assets in Form standardisierter Merkmale beschreiben. Sie bilden die Basis für eine gemeinsame Sprache von Pumpen.

2 Vorgehensweise zur Standardisierung einer Verwaltungsschale für Pumpen und Vakuumpumpen

Vorgehensweise zur Standardisierung einer Verwaltungsschale für Pumpen und Vakuumpumpen. Bilder: TU Köln

Pumpenhersteller der VDMA-Fachverbände Pumpen + Systeme und Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik haben nun eine herstellerübergreifende Verschaltungsschale für Pumpen und Vakuumpumpen für Anwendungen in der Prozessindustrie, Gebäudetechnik, der Halbleiter- und Fertigungsindustrie, der Lebensmittelindustrie und Wasserwirtschaft spezifiziert. Die Arbeitsgruppe aus Vertretern der Firmen Gebr. Becker, Brinkmann Pumps, CP Pumpen, Grundfos, KSB, Leybold, Lewa, Prominent, SKF und Wilo fokussierte hierbei drei wesentliche Industrie-4.0-Anwendungsszenarien für die digitale Integration von Pumpen und Vakuumpumpen in die Industrie-4.0-Informationswelt [2]: die Unterstützung eines durchgängigen und dynamischen Engineerings über den Lebenszyklus, eines optimierten Betriebs durch Transparenz und Wandlungsfähigkeit ausgelieferter Produkte sowie die Bereitstellung von Value Based Services.

Einfache Inbetriebnahme, automatische Anlagendokumentation

Diese allgemeinen Ziele werden in drei Anwendungsfällen konkretisiert. Der Anwendungsfall „Unterstützung der Konfiguration von Pumpen“ beschreibt die Vorkonfiguration von Pumpen und Vakuumpumpen auf Basis standardisierter Hersteller- und Betreiberinformationen. Hierzu werden allgemeine Merkmale des Herstellers über den Pumpentyp (zulässige Einsatzbereiche,
z. B. Temperaturen, Druck, Volumenströme etc. sowie Konstruktionsmerkmale und Materialeigenschaften etc.) in einem Teilmodell „Design“ zusammengefasst. Merkmale, die betriebliche Anforderungen an Pumpen und Vakuumpumpen im Prozess beschreiben (z. B. Arbeitspunkte), spezifiziert das Teilmodell „System Requirements“. Beide Teilmodelle bilden die Grundlage der Merkmale des Teilmodells „Implementation“, welches Anforderungen des Bestellers mit Eigenschaften des Pumpentyps für eine konkrete Pumpe oder Vakuumpumpe abgleicht und somit eine Vorkonfiguration ermöglicht.

Nutzenaspekte dieses Anwendungsfalls ergeben sich z. B. aus einer vereinfachten Inbetriebnahme durch vorkonfigurierte Produkte, deren betriebsnaher Simulation im Anlagenkontext und einer automatisierten Anlagendokumentation.

3 Anbindung von Verwaltungsschalen unterschiedlicher Pumpen und Vakuumpumpen via OPCUA an Cloud-basierte Anwendungen

Anbindung von Verwaltungsschalen unterschiedlicher Pumpen und Vakuumpumpen via OPC UA an cloudbasierte Anwendungen.

Der zweite Anwendungsfall im Fokus der Standardisierungsarbeiten beschreibt die automatische Erhebung und Analyse nutzungsbezogener Produktdaten zur Optimierung des Betriebs von Pumpen und Vakuumpumpen. Durch die Erfassung und Analyse ihres Zustands kann eine nutzungsabhängige Anpassung und bedarfsgerechte Freischaltung einzelner Funktionalitäten angeboten werden. Auch bietet sich ein automatischer Abgleich der Daten aus dem Anwendungsfall „Konfiguration“ an. Das Teilmodell „Operation“ spezifiziert daher alle Merkmale, welche den operativen Betrieb von Pumpen und Vakuumpumpen charakterisieren (z. B. aktuelle Mess- und Stellwerte).

Spezielle Dienste für den Betrieb von Pumpen und Vakuumpumpen

Der dritte Anwendungsfall dient der Bereitstellung von speziellen Dienstleistungen rund um den Betrieb von Pumpen und Vakuumpumpen. Er basiert auf der Erfassung und Analyse von Betriebsdaten (z. B. Leistungsdaten, Verschleiß, Abweichungen im Betrieb). Die Unterstützung einer optimierten Instandhaltung von Pumpen und Vakuumpumpen erfolgt durch die Spezifikation von drei Teilmodellen („Breakdown, Preventive und Condition Based Maintenance“), die je nach Instandhaltungsstrategie unterschiedliche Merkmale bereitstellen. So können Anwender auf standardisierte Informationen über den Status der Komponente, anstehende Wartungen, Zustandsinformationen, Zuverlässigkeit und Funktionsreserve zugreifen.

Zur weiteren Unterstützung dient die Dokumentation von Ersatzteilen und Austauschkomponenten, z. B. zur Bestellung von Wartungs- und Verschleißteilen. Insgesamt dienen etwa 500 Merkmale zur Standardisierung der hier betrachteten Anwendungsfälle. Anwenderanforderungen an die Modellierung und Ausprägung der Verwaltungsschale [3] wurden vor Beginn der Arbeiten umgesetzt. Wenn möglich, wurden Merkmale aus internationalen Normen (ISO, IEC) referenziert und nicht neu definiert. Die Merkmale wurden auf Basis der IEC 61360 [4] spezifiziert, welche eine automatisierte Handhabung der Merkmale ermöglicht (Ausprägungsaussagen und -logik).

Aktuell arbeitet die Arbeitsgruppe an der Abbildung der spezifizierten Teil­modelle auf den sich im Industrie-4.0-Umfeld zunehmend verbreitenden Kommunikationsstandard OPC UA. Ein Vorteil von OPC UA ist die Verfügbarkeit eines Metamodells, welches spezielle Informationsmodelle selbst erkundbar macht und Grundlagen für die automatisierte Ausführung von Regeln schafft. Ein Abschluss der entstehenden „Companion Specification for Pumps and Vacuum Pumps“ wird bis Ende des Jahres erwartet.

Beispiel für die Einbindung in cloudbasierte Anwendungen

4 Plug&Play-Anwendung Cloud-basierte Energiemonitoring-Anwendung

Plug-and-play-Anwendung: cloudbasierte Energiemonitoring-Anwendung.

Eine prototypische Umsetzung der Verwaltungsschale für Pumpen und Vakuumpumpen und ihre Einbindung in cloudbasierte Anwendungen war auf der Hannover Messe 2019 zu sehen. Auf Basis eines Einplatinencomputers und dem „Basyx Industrie 4.0“-open-source-SDK [5] werden Pumpen und Vakuumpumpen verschiedener Hersteller durch die Abbildung der Verwaltungsschale zu standardisierten Industrie-4.0-Komponenten. Die Kommunikation zwischen den Pumpen und Vakuumpumpen sowie einer Cloud-Computing-Plattform erfolgt hierbei via OPC UA. In der Cloud-Computing-Plattform werden die Informationen der Pumpen und Vakuumpumpen hersteller- und typübergreifend, ohne Engineering-Aufwand, dargestellt.

Das Potenzial einer standardisierten Verwaltungsschale zeigt sich u. a. in der automatischen Einbindung der Leistungswerte in eine zentrale Energie-Monitoring-Anwendung. Dieses Plug-and-play-Szenario basiert auf standardisierten Merkmalen für die Energie- und Leistungsaufnahme von Pumpen und Vakuumpumpen. Werden diese im OPC-UA-Netz erkannt, so wird die aufgenommene Leistung automatisch in einer gemeinsamen Grafik abgebildet und aktualisiert.

 

Quellenverzeichnis:

[1] Plattform Industrie 4.0: Details of the Asset Administration Shell, Part 1 – The exchange of information between partners in the value chain of Industrie 4.0 (Version 1.0), 2018.
[2] Plattform Industrie 4.0: Fortschreibung der Anwendungsszenarien der Plattform Industrie 4.0, 2016.
[3] Dechema: DEXPI – Data Exchange in Process Industry: P&ID Specification, Version 1.0, 2016.
[4] IEC 61360: Standard Elements Types with associated classification scheme for electric items, IEC. 2017.
[5] Epple et. al: Basys 4.0: Metamodell der Komponenten und ihres Aufbaus, 2018, sowie https://projects.eclipse.org/projects/technology.basyx.

 

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Heftausgabe: April/2019

Über den Autor

Prof. Dr. Jochen Müller, Maximilian Both, beide TH Köln, Fakultät für Anlagen, Energie- und Maschinensysteme
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