Modularer Anlagenbau Die MTP-Technologie im Realitätscheck

Autor / Redakteur: Sabine Mühlenkamp* / Anke Geipel-Kern

Der Charme modularer Prozessanlagen ist offensichtlich. Es schafft nicht nur mehr Raum für Flexibilität in der Produktion, sondern punktet auch in Bezug auf die Time-to-market. Mit der Schnittstellenbeschreibung allein es jedoch nicht getan, die Module müssen zu einem Ganzen zusammen gefügt werden. Ist die MTP-Technologie jetzt endlich reif für die Praxis?

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MTP ist der letzte Baustein, um Plug and Play in der modularen Anlage umzusetzen.
MTP ist der letzte Baustein, um Plug and Play in der modularen Anlage umzusetzen.
(Bild: ©oatawa; ©industrieblick; @dlyastokiv - stock.adobe.com)

Seit mehreren Jahren treibt die Prozessindustrie das Thema modulare Prozessanlagen voran. Die Idee: Vorautomatisierte, modulare Einheiten lassen sich einfach hinzu fügen, anordnen und an die aktuellen Produktionsanforderungen anpassen. Die Umsetzung: Große Teile der Steuerungs- und Regelungsintelligenz werden in Module verlagert.

Über eine einheitliche Schnittstelle rufen andere Kommunikationsteilnehmer die jeweilige Funktionalität aus den Modulen ab. Das Vorbild ist der Druckertreiber. Ähnlich wie ein PC diesen automatisch erkennt, herunterlädt und den Drucker startet, soll dies auch in der komplexen Automatisierungswelt der Prozessindustrie funktionieren.

Bei diesem Module Type Package (MTP) handelt es sich um eine standard- und herstellerunabhängige Beschreibung von Prozessmodulen bzw. Package Units zur effizienten Integration in Automatisierungssysteme. Diese befindet sich zwischen Anlagenmodul und Orchestrierungsebene. Dabei ging man schrittweise vor. Zunächst wurden Elemente, wie die Mensch-Maschinen-Schnittstelle (HMI), Prozessüberwachung und -steuerung standardisiert, Wartung & Diagnose und Archivierung folgen in Kürze.

Vorteile gibt es einige: Es muss nicht länger jedes einzelne Signal eines Gerätes ins Leitsystem überführt werden, sondern das Modul übernimmt schon einmal ein Großteil der wichtigsten Steuer- und Regelfunktionen. Das Modul, das im Übrigen in sich gekapselt ist, kommuniziert mit dem Leitsystem. Erweiterungen oder Umbauten lassen sich so viel kostengünstiger und schneller darstellen, damit sinken die Lebenszykluskosten. Schätzungen gehen von zeitlichen Einsparungen von bis zu 50 Prozent bei der Time-to-market aus. Neben der Pharmaindustrie profitieren im Übrigen auch Branchen wie die Feinchemie oder Elektronikchemikalien von dem Konzept, da man hiermit viel flexibler und schneller auf Marktanforderungen reagieren kann.

Intelligente Orchestrierung der einzelnen Module

Dabei ist es mit der Entwicklung der MTPs allein nicht getan. So konnten Steuerungen unterschiedlicher Hersteller nicht innerhalb einer Anlage zusammen verwendet werden. Um eine modulare Anlage effizient zu betreiben, kommen daher die modularen Funktionseinheiten (Process Equipment Assembly − PEA) ins Spiel. Über diese Beschreibung können diese sinnvoll verschaltet, aufeinander abgestimmt sowie gesteuert und geregelt werden. Diese Systemorchestrierung wird im Enpro 2.0-Projekt Orca (Effiziente Orchestrierung modularer Anlagen) behandelt.

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MTPs aus der Box

Wie gelingt es, die Investitionen der Anlagenbetreiber gering zu halten und die Migration von konventionellen Anlagen hin zu modularen Anlagen schrittweise und flexibel durchzuführen? Eine Antwort darauf liefert ein junges Unternehmen aus Dresden. Das Technologieunternehmen Semodia, das aus der Technischen Universität Dresden und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg ausgegründet wurde, bietet eine MTP-Box an, die es erlaubt, Bestandsequipment (z.B. Ventile, Pumpen, Labortechnik o.ä.) von Labor- und Technikumsanlagen über den Modular Type Package (MTP) -Ansatz modular aufzubauen und zu steuern.

Die MTP-Generator Library ermöglicht die Erzeugung von Module Type Packages nach VDI/VDE/Namur 2658 auf Basis von bereits erstellten Engineering-Daten. Grundlage bilden die Datenbanken der Engineeringtools, auf die zurückgegriffen wird, um die vorhandenen Datenpunkte auf die Schnittstelle der MTP-Generator Library abzubilden. Das MTP wird generiert, ohne die Grundfunktionalität des Engineeringtools zu verändern.

Die Control-Engine wird als ein Software Development Kit (SDK) ausgeliefert und bietet die Möglichkeit, die Intelligenz eines Feldgerätes, um die Module Type Package (MTP) -Funktionalität zu erweitern. Damit kann das Verhalten, die Kommunikation sowie das Human Machine Interface (HMI) des Gerätes konform zur VDI/VDE/Namur 2658 beschrieben und direkt ein MTP erzeugt werden. Die bereits vorhandene Intelligenz vom Gerät bleibt im Unternehmen, da die Control-Engine diese nur kapselt, nicht ersetzt.

Nun geht es an die Integration der PEAs. Im Process Orchestration Layer (POL) werden die Statusinformationen der Module zusammengefasst. Die reibungslose Kommunikation zwischen Modulen und POL wird dann über die MTPs sichergestellt. Über Namur Open Architecture (NOA) ist die Anbindung an die IoT-Welt möglich. Die Weiterentwicklung dieser Standards wird ebenfalls durch die Arbeiten in ORCA unterstützt. Darüber hinaus wird in Planspielen mit Behördenvertretern ein Vorgehen für die Genehmigungsfähigkeit der neuartigen, flexiblen Anlagen erarbeitet.

Erste praktische Erfahrungen

Ein MTP-Projekt startete bereits im Sommer 2018 in einer World-Scale-Anlage von Evonik in Singapur. An diesem Standort betreibt Evonik eine seiner sechs weltweiten Produktionsstätten für DL-Methionin: eine synthetisch hergestellte Aminosäure, die als Supplement in Geflügelfutter Verwendung findet.. Evonik, Engie, Siemens und Yokogawa arbeiteten gemeinsam an der Integration einer Kälteaggregateinheit in eine konventionelle Produktionsanlage über den MTP-Standard.

Im Mittelpunkt standen die technischen Voraussetzungen für die nahtlose Integration der Package Unit sowie die Herausforderungen während der Implementierungsphase. Das Ergebnis: Der Eins-zu-Eins-Import der MTP HMI-Beschreibung wurde zu 80 Prozent durchgeführt, mit 20 Prozent manuellen Anpassungen. Die SPS von Siemens wurde über das OPC UA-Kommunikationsprotokoll mit einem DCS von Yokogawa verbunden. Der Kühlprozess wurde zunächst auf der SPS simuliert und konnte auf der MTP-Bedienungsgrafik am Prozessleitsystem überwacht werden. Anschließend folgte die Inbetriebnahme am Produktionsstandort von Evonik.

Pharmaindustrie benötigt flexible Konzepte

In der Smart Factory bei Merck sammelt man derzeit Erfahrungen rund um das Thema MTP, insbesondere beim Engineering der Module sowie der Integration und Orchestrierung.

„In der Pandemie hat sich deutlich gezeigt, dass die Pharmaindustrie dringend auf flexible Anlagenkonzepte angewiesen ist“, beschreibt Manfred Eckert von Merck, die Notwendigkeit für modulare Konzepte, die ein wichtiger Baustein der Merck-Vision Smart Factory sind. „Wir wollen mit modularen Anlagen Flexibilität und Effektivität verknüpfen.“ Nur so könne schneller auf Kundenanforderungen reagiert werden. Aber auch Ausbeute und Qualität lassen sich so erhöhen und vor allem können Kosten drastisch reduziert werden. „Überall dort, wo es Sinn macht, wollen wir mit Hilfe der modularen Automation von der Batch- zur Kontiproduktion wechseln“, nennt Eckert ein Ziel für die nächsten Jahre.

Bei Merck startete man vor einigen Jahren über das Enpro 2.0 Orca-Projekt mit MTP. Generell orientierte man sich an der Vorgabe, dass ein MTP wie ein Treiber beim Drucker installiert wird und die Anlage läuft. „Für ein solches Plug and Produce stehen dann verschiedene Module zur Verfügung, die entweder auf Lager liegen oder vielleicht in einer Art Katalog bestellt werden können“, wagt Eckert einen Blick in die Zukunft. „Dann verbinde ich die Module via Rohrleitungen und orchestriere diese in einer POL (Process Orchestration Layer). Anschließend erstelle ich das Rezept und dann geht es los.“ Dabei spielt die Art der Steuerung keine Rolle mehr, solange sie mit MTPs umgehen kann.

Was ist mit den Genehmigungsverfahren?

Ein Thema, dem aus seiner Sicht mehr Beachtung geschenkt werden sollte, sind die Genehmigungsverfahren. Üblicherweise dauert eine Genehmigung für eine Neuanlage etwa ein Jahr. Sollte die Anlage nun wirklich in zwei Wochen aus mehreren Modulen zusammengesteckt werden können, sind solche langen Genehmigungsverfahren nicht mehr länger akzeptabel. Ein weiterer Aspekt gilt dem Scale-up, auch dies muss in Zukunft schneller gelingen. Diese Aufgabe ist aber intrinsischer Bestandteil der modularen Idee und daher wohl keine zusätzliche Bürde.

Bei Merck wurden bereits mehrere Komponenten über MTP eingebunden. Dazu gibt es eine größere Laboranlage, die fünf Tonnen pro Jahr produzieren kann. Hier wurden u.a. eine Dünnfilmdestillation, Dosieranlagen und eine Membranfiltration mit MTP umgesetzt. „Herausfordernd war dabei, dass wir bisher nur mit MTP-Prototypen arbeiten. Gleiches gilt für die POLs“, nennt Eckert eine der Herausforderungen. Eine weitere sieht er darin, dass es für Modulhersteller nur wenig Unterstützung seitens der Systemlieferanten gibt.

Merck will das Thema MTP auf jeden Fall vorantreiben, wie Eckert abschließend bekräftigt: „Wir werden die Technologie weiter unterstützen, weil wir einen großen Vorteil in Bezug auf Nachhaltigkeit, Herstellkosten und Produkteinführungszeiten sehen.“ ●

* *Die Autorin ist freie Redakteurin der PROCESS. Email-Kontakt: redaktion@process.de

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