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Einen Prozess zu orchestrieren bedeutet, aus einem Pool von modularen Prozesseinheiten die am besten geeigneten auszuwählen, sie miteinander zu vernetzen und das vorgegebene Rezept an die aktuellen Randbedingungen anzupassen.

Bild: iStock, avika

Prozessindustrie 4.0: Plug & Produce Das modulare Anlagenorchester

29.10.2019

Die Prozesstechnik in Basisprozesse aufteilen, diese als selbstständige Module umsetzen und daraus die Produktion zusammenbauen: Das soll die chemische Industrie effizienter und wettbewerbsfähiger machen.

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Sich ändernde Märkte, kürzere Produktlebenszyklen, hochspezialisierte Produkte und die Verknappung von Rohstoffen gaben den Anstoß, über eine modulare Prozesstechnik nachzudenken. Mit ihr lassen sich Kapazitäten leicht anpassen, und durch die Wiederverwendung modularer Komponenten reduziert sich das Investitionsrisiko.

Startpunkt zur Entwicklung der modularen Produktion war das EU-Projekt F3 Factory (Flexible, Fast and Future Factory). 25 Firmen und mehrere Forschungsinstitute arbeiteten hier an einer modularen Plug-&-Play-Produktionstechnologie.

Wirtschaftlicher als Batchprozesse

Demonstriert hat man die Funktionalität der Lösungen an sieben Fallstudien, und die kontinuierlichen F³-Factory-Prozesse erwiesen sich als wirtschaftlicher, einfacher, robuster und anpassungsfähiger an wechselnde Prozessanforderungen als Batchprozesse. Basiselemente sind sogenannte Process Equipment Assemblies (PEA). Durch Wiederverwenden physikalischer Einheiten und Planungsleistung sinken die Kosten für den Anlagenbau um ein Viertel.

Die fertige Anlage muss man dann nur konfigurieren und das Zusammenspiel der PEAs nach jedem Umbau in die Automatisierungslogik abbilden. Da aber die Produkte ein Eigenleben haben und die einzelnen Prozessschritte energetisch und stofflich gekoppelt sind, müssen die Prozessschritte von einem zentralen Leitstand koordiniert werden.

Modular heißt, dass jedes Modul ein eigenes Mini-Leitsytem hat. Der Datenaustausch dazwischen läuft über standardisierte Schnittstellen, bei einem Fehler kann das Problem auf eine Prozesseinheit reduziert werden. Das Hochskalieren und Umrüsten geschieht mit vorgetesteten Steuerungssubsystem-Programmen, was technische Planung, Installation und Inbetriebnahme schneller macht.

Erste modulare Anlagen in Chemie und Pharma

Modulare Anlagen sind hierarchisch aufgebaut. Die Koordination der Abläufe und das Archivieren der Daten erfolgt herstellerneutral in einem Process Orchestration Layer (POL). Der Datenaustausch zwischen den PEAs und der POL geschieht dabei über OPC UA. Die für die Integration notwendige Information bringt jede PEA in einem Module Type Package (MTP) mit. Durch austauschbare funktionale FEAs (Functional Equipment Assembly) kann eine PEA an besondere Anforderungen angepasst werden.

„Mit der Verfügbarkeit marktreifer Komponenten lassen sich nun auch erste modulare Anlagen in der chemisch-pharmazeutischen Prozessindustrie realisieren, die wir zur schnellen und flexiblen Reaktion auf Marktanforderungen dringend benötigen“, sagt Dr. Frank Stenger von Evonik, Vorsitzender des Arbeitsausschusses „Modulare Anlagen“ bei Processnet.

Die eigentliche Herausforderung sieht Henry Bloch, CFO des Start-ups Semodia, in der Kommunikation zwischen den modularen Prozesseinheiten: „Die modulare Produktion hier ist eine Herausforderung wegen der Kommunikation, da die Module verschiedener Hersteller fehlerfrei zusammenwirken und sich verstehen müssen.“ Semodia bietet hierzu Software zu Generierung und Editierung von MTPs an.

Die MTP-Technologie hat aber auch in Bestandsanlagen Potenzial. So hat Evonik in diesem Jahr zusammen mit Engie, Siemens und Yokogawa erstmalig MTP-Standards in einer kommerziellen Industrieanlage in Singapur angewendet. Produziert wird DL-Methionin, eine synthetische Aminosäure.

Das Orchester benötigt einen Dirigenten

Vor Kurzem abgeschlossene Verbund-Projekte belegen die Vorteile modularer Anlagen bei kleiner bis mittelgroßer kontinuierlicher Produktion. Allgemeinere modulare Konzepte für mittelgroße bis große Produktionsstätten werden derzeit beispielsweise in der europäischen Enpro-Initiative (Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung für die chemische Industrie) entwickelt. Zwei durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekte sind hier Orca und Modula.

In Orca werden Methoden und Konzepte für einen smarten Dirigenten erforscht, Demonstratoren erprobt und erste Erfahrungen gesammelt. „Einen Prozess zu orchestrieren bedeutet, aus einem Pool von modularen Prozesseinheiten die am besten geeigneten auszuwählen, sie miteinander zu vernetzen und das vorgegebene Rezept an die aktuellen Randbedingungen so anzupassen, dass sicher und ressourceneffizient produziert werden kann“, erklärt Prof. Dr. Leon Urbas, Koordinator des Projekts und Wissenschaftler an der TU Dresden.

Die Rezepte sprechen die modularen Prozesseinheiten über deren Dienste-Schnittstellen an und nicht mehr auf Signalebene. Die schiere Menge an Daten, die dabei gehandhabt werden muss, wird mit der Kapselung der Funktion in Dienste um das zehn- bis 100-fache reduziert – das verringert den manuellen Engineering-Aufwand deutlich und die vorher manuellen Schritte lassen sich fast vollständig automatisieren.

Sind die modularen Prozesseinheiten informationstechnisch erfasst, lassen sich viele Prozessvarianten in kurzer Zeit vergleichen. Auf diese Weise kann man unter Berücksichtigung von Energie- und Ressourceneffizienz Anlagen einfacher auslegen und optimieren. Damit befasst sich das Projekt Modula. Hier geht es um die Spezifikation eines durchgängigen Informationsmodells, um die Informationen von Modulen und Anlagen im gesamten Lebenszyklus verfügbar zu machen.

Die Ergebnisse des Projekts stellen somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zum digitalen Zwilling dar. „Die Anwendungen sind vielfältig. Mit einem durchgängigen Informationsmodell lassen sich beispielsweise viele Alternativen für eine modulare Anlage in kurzer Zeit vergleichen“, berichtet Dr. Marcus Soemers, Projekt-Koordinator bei Aixcape. Dabei kann man auch Informationen von Modulherstellern berücksichtigen und energie- und ressourcenschonende Anlagen effizienter auslegen beziehungsweise optimieren.

Prozess-Orchestrierung statt Leitsystem

„Orchestrierungssysteme übernehmen die zentrale Rolle einer überlagerten Steuerung der Services der Module und damit des Gesamtprozesses. Modular-­enabled-Prozessleitsysteme sind damit eine wichtige Brücke in die Welt der modularen Automation, da sie alle Optionen von klassisch bis voll modular unterstützen“, beschreibt Gero Lustig, Global Business Manager Life Science bei ABB, die Vorteile des Konzepts.

Alle Informationen über den aktuellen Zustand der Anlage sind auf dem HMI des Orchestrierungssystems verfügbar, auch wenn die Automation verteilt in den Modulen erfolgt. Das Orchestrierungssystem muss so auch die wesentlichen Merkmale eines Prozessleitsystems aufweisen und ist entscheidend für den Wirkungsgrad der Anlage.

ABB hat eine Lösung für eine Modularisierung mit Plug-&-Produce-Fähigkeiten entwickelt, und ein Pilotprojekt mit Bayer läuft derzeit. Die neue Lösung erlaubt die nahtlose Integration verschiedener vorhandener Systeme, was Stillstände bei der Implementierung verkürzt. Die Integration eines intelligenten Moduls in das Orchestrierungssystem dauert nur noch Stunden statt Tage.

Es gibt aber noch eine Herausforderung: Beim Modulwechsel erlischt nach dem momentanen Recht die Genehmigung. Die Berechtigung aller möglichen Variationen der Module einzuholen ist viel zu aufwendig. Im Projekt Orca wird deshalb eng mit den zuständigen Ministerien und genehmigenden Behörden zusammengearbeitet, um neue Konzepte für eine Rahmengenehmigung auszuarbeiten, die alle Ansprüche erfüllen.

Bildergalerie

  • Demonstrator bei Bayer: Modulare Anlagen sind hierarchisch aufgebaut.

    Bild: Bayer

  • Bei Invite wurde im Rahmen von Forschungsprojekten eine Demonstratoranlage für die modulare und mobile chemische Produktion errichtet.

    Bild: Invite

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