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Bild: iStock, akinbostanci

Anlagen aus dem Baukasten Modularisierung liegt voll im Trend

01.06.2018

Nicht nur Autos, Kleidung oder das Frühstücksmüsli werden mittlerweile individualisiert. Auch die Kunden der chemischen und pharmazeutischen Industrie erwarten zunehmend maßgeschneiderte Produkte. Die notwendigen kurzen Entwicklungs- und Produktlebenszyklen sind aber mit konventionellen Anlagen kaum machbar. Modularer Aufbau heißt hier das Zauberwort.

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Modulare Anlagen sind derzeit weltweit im Aufwind. Sie ermöglichen Flexibilität im Hinblick auf Produktionskapazitäten (zum Beispiel durch „Numbering-up“ oder Parallelisierung), Produktvielfalt (beispielsweise durch den Austausch von Reaktions- oder nachgeschalteten Verarbeitungsmodulen), Rohstoffe oder Standorte (etwa mobile Module). Schnell verfügbare Standardmodule erhöhen zudem die Wettbewerbsfähigkeit, besonders, wenn sie von vielen Unternehmen genutzt und so in hoher Stückzahl bei niedrigen Kosten hergestellt werden können.

„Wettbewerbsvorteile in den Prozessindustrien sind zunehmend davon abhängig, wie effektiv und effizient die Produktion ausgestaltet ist“, sagt Felix Seibl, Geschäftsführer des Fachbereichs Messtechnik und Prozessautomatisierung im Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI). Anlagenbetreiber fordern laut Seibl, dass ihre Produktion „flexibler, schneller und kostengünstiger ist als jene der Wettbewerber – und damit überlegen.“

Die Vorteile der Modularisierung lassen sich von der Planungsphase an realisieren: Die Wiederverwendung von Engineering-Informationen und ein durchgängiges Datenhandling über alle Projektphasen ermöglichen eine beschleunigte Engineering-Phase und kürzere Markteinführungszeiten.

Vorteile von Anfang an

Im nächsten Schritt kann dann die physikalische Modularisierung umgesetzt werden, um vielseitige kontinuierliche Produktionseinheiten zu erhalten und eine dezentralisierte Produktion zu ermöglichen. Die Moduldefinition wird so vorgenommen, dass je Modul festgelegte Funktionen beibehalten werden. Die physikalische Modularisierung kann auf Apparate-, Anlagen- oder Logistik-
ebene sowohl vor Ort am Standort als auch im Produktionsnetzwerk erfolgen. Falls eine physikalische Modularisierung erwünscht ist, werden die kompatiblen Module als anpassbare Einheiten konstruiert und zu Mehrzweck-Anlagen zusammengestellt.

Während des Betriebs vereinfacht die Austauschbarkeit der einzelnen Module Wartung und Service und reduziert Umrüstzeiten. Betriebsdaten aus der Produktion kann der Anlageningenieur direkt verwenden, um Wartungsstrategien festzulegen und bereits geplante Module für künftige Projekte zu optimieren. Im Anschluss an die Produktionsphase wird die Anlage zurückgebaut, während die Informationen und physischen Komponenten weiter verwendbar sind. So ist eine kontinuierliche Verbesserung und die Weiternutzung von Betriebserfahrung sichergestellt.

Grundvoraussetzung für eine effiziente, aber auch vielseitige Produktionsumgebung ist die Verfügbarkeit von zuverlässigem Prozessequipment für die kleinskalige industrielle Verarbeitung. Dazu gehören auch valide Simulationsmodelle für prozessintensivierte Apparate sowie robuste Geräte, die eine den Industriestandards entsprechende Zuverlässigkeit bieten. Physikalische Modularisierung eignet sich für Mehrprodukt-/Mehrzweck-Anlagen, bei denen Neukonfigurationen der Prozessstrukturen zwischen den Produktionskampagnen häufig sind. Darüber hinaus kann eine Integration von kleinskaligem, kontinuierlich betriebenem Equipment in Pilot- oder Mehrzweck-Batch-Anlagen realisiert werden, um hocheffiziente Hybridproduktionskonzepte zu ermöglichen.

PAT-Tools sind entscheidend

Um alle Vorteile aus intensivierten, kontinuierlichen Prozessen zu ziehen, ist eine langfristig stabile, engmaschig gesteuerte und voll automatisierte Produktion erstrebenswert. In diesem Zusammenhang spielen Prozessanalysetechnologien (PAT) eine entscheidende Rolle. Basierend auf ihren Informationen lassen sich die kritischen Prozessparameter überwachen, steuern und optimieren, um die gewünschte Produkt-Outputqualität zu erzielen oder Veränderungen in den kritischen Qualitätsmerkmalen schnell zu erkennen. Für die effiziente Implementierung von PAT-Tools sollten die erforderlichen Messverfahren (einschließlich geeigneter Mess-/Probenahme-Punkte) in einer frühen Planungsphase festgelegt werden. Idealerweise wendet man über Prozessentwicklung und Scale-up vom Labor- zum Pilot- oder Produktionsmaßstab hinweg dieselben Analysemethoden an.

Um eine vollständig modular konzipierte und gebaute Anlage zu erreichen, bedarf es noch einiger Anstrengungen, besonders im Bereich der Standardisierung von Ausrüstung und Automationstechnik. Seit einiger Zeit arbeiten deshalb Namur-Arbeitskreise und ZVEI-Arbeitsgruppen zusammen mit Dechema und VDI an der Spezifikation einer herstellerneutralen Beschreibung von Modulen. „Mit dem Modul Type Package (MTP) lassen sich die einzelnen Module schnell zu einem Gesamtprozess zusammenschalten und so eine effizientere Produktion sicherstellen“, erklärt Seibl. MTP ist das Herzstück für die Automation der modularen Anlage.

Der Ansatz, Steuerungsintelligenz vom Prozessleitsystem auf die Anlagenmodule zu verteilen, Anlagenmodule digital zu beschreiben und für eine neutrale Schnittstelle zwischen Anlagenmodul und Prozessführungssystem zu sorgen, bedeutet laut Seibl „eine deutliche Veränderung an bestehenden Automatisierungsparadigmen in der Prozessindustrie“. Einen Blick in die Zukunft der chemischen Produktion kann man in Halle 9.2 am Stand „Modulare Produktion“ werfen, der von ProcessNet, Namur und ZVEI organisiert wird. Chemische Anlagen im Container und Automationssoftware sind Teil der Vision „Prozessindustrie 4.0: Das Zeitalter der modularen Produktion“.

Bildergalerie

  • Um das Ziel einer vollständig modular konzipierten und gebauten Anlage zu erreichen, arbeiten Namur-Arbeitskreise und ZVEI-Arbeitsgruppen zusammen mit Dechema und VDI an der Spezifikation einer herstellerneutralen Beschreibung von Modulen.

    Bild: Dechema

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