Modular Engineering Mehr als Copy und Paste: So geht smarte Modularisierung im Anlagenbau

Autor / Redakteur: Dr. Jens Mathiak; Dr. Johannes Dammeier * / Dominik Stephan

So profitieren neue Anlagenbauprojekte von der Erfahrung der Ingenieure: Zwischen Neubeginn auf dem blanken Reißbrett und Adaption vorhandener Vorlagen gibt es eine Alternative, die Erfahrungen berücksichtigt und Raum für Neues lässt. Der Schlüssel steckt – wie so oft – in smarten Modularisierungskonzepten…

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Das heute übliche Copy-Plant-Concept wird schrittweise durch das modulare Pre-configured Plant Concept abgelöst.
Das heute übliche Copy-Plant-Concept wird schrittweise durch das modulare Pre-configured Plant Concept abgelöst.
(Bild: Thyssenkrupp)

Modularer Anlagenbau ist in aller Munde – doch zwischen Package-Units und Container-Modulen sollte man eigentlich besser vom modularen Apparatebau sprechen. Wenn auch Projektentwicklung und Engineering Baukasten-Konzepte nutzen sollen, muss die Lösung smart sein.

Bestehende Entwicklungen optimal in neuen Projekten wieder zu verwenden gilt als einer der wirksamsten Stellhebel für die Beherrschung von Kosten und Produktvarianz in der fertigenden Industrie. Dabei beschreiten Maschinen- und Anlagenbauer heute jedoch noch zum Teil sehr unterschiedliche Wege: Viele Maschinenbauunternehmen nutzen modulare Produktbaukästen, um von einem Engineer-to-Order- zu einem Configure-to-Order-Geschäftsmodell zu gelangen.

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Im Anlagenbau ist es noch heute üblich, ein neues Projekt aus Vorlagen früherer Projekte zusammenzustellen (das sog. Copy-Plant Concept). Eine funktionale Modularisierung komplexer Anlagenbauprojekte, wie sie für das Konfigurieren von Produkten verwendet wird, galt lange als nicht durchführbar. Modularisierung war lediglich das Gliedern von Anlagen in Transporteinheiten (Skids oder Package Units).

Zwar ist Copy-Plant eine naheliegende Möglichkeit, Erfahrungen abgewickelter Projekte zu nutzen. Es beinhaltet jedoch entscheidende konzeptionelle Schwächen: Einerseits nimmt der Umfang mit jeder neuen Projekt-Zusammenstellung zu, da keine transparente Beziehung zwischen Funktion und Komponente besteht. Andererseits können aktuelle Verbesserungen in bestehende ältere Vorlagen nicht eingeflossen sein. Kurz: Das Copy-Plant-Konzept wird über die Zeit von einer Lösung zu einem Problem.

Modularer Anlagenbau kann mehr

Zunehmender Kosten- und Margendruck verlangen jedoch nach einer Lösung, mit der der Wiederverwendungsgrad optimiert, Durchlaufzeiten verkürzt und gleichzeitig Risikofaktoren und Unsicherheiten im Angebotsprozess minimiert werden können.

Vor diesem Hintergrund entstand bei den Anlagenbau-Spezialisten von Thyssenkrupp Industrial Solutions im Bereich Düngemittel als neue Alternative das Pre-configured Plant Concept (kurz PCPC).

Mit der funktionalen Modularisierung von Chemieanlagen beschreiten die Anlagenbauer ganz neue Wege: Die im September 2016 begonnene Initiative wurde ein Jahr später mit zwei modularen und konfigurierbaren Anlagentypen in den operativen Betrieb überführt. Damit werden nun neue Anlagen nicht mehr nach dem Copy-Plant-Konzept erstellt, sondern mit Hilfe eines modularen Baukastens konfiguriert.

Aus anderen Branchen lernen

Dem PCPC liegt die Metus-Methodik zugrunde, die sich in den letzten 20 Jahren im Maschinen- und Automobilbau etabliert hat. Dabei handelt es sich um ein Vorgehensmodell, mit dem Produkte in Funktionen und Komponenten aufgefächert werden um Abhängigkeiten und Variantentreiber zu identifizieren und letztlich die Komponenten eines Produkts zu funktionalen Modulen zusammenzufassen. Einfach ausgedrückt werden unterschiedliche Kundenanforderungen in ein modulares Produktmodell umgesetzt.

Diese Vorgehensweise bot mehrere Vorteile für die Umsetzung des PCPC:

  • Trotz hoher Modularisierung und Standardisierung der Anlage können weiterhin individuelle Kundenbedürfnisse befriedigt werden. Modularisierung bedeutet also nicht mehr gleichzeitig die Reduktion auf Standard-Konfigurationen: Da jedes Modul die Ausprägung „kundenspezifisch“ erhalten kann, bleibt die ursprüngliche Flexibilität gewahrt, allerdings ohne ihre Nachteile: Kundenspezifische Aufwände können nun unmittelbar erkannt sowie frühzeitig und sicher bewertet werden.
  • Für den Kunden ergeben sich ebenfalls Vorteile, da er sich über seine individuellen Spezifikationen hinaus aus einem Baukasten bedienen kann. Ist ein höher spezifiziertes Standardmodul verfügbar, kann er dieses statt einer Individuallösung für sich wählen und so Kostenvorteile verwirklichen und seinen Nutzen erhöhen.
  • Die bekannten Vorteile einer modularen Produktstruktur will Thyssenkrupp nun auch für den Bau der Anlagen nutzen: Niedrige Integrationsaufwände durch standardisierte Schnittstellen, geringere Kosten für die Angebotsphase und für Prüfungen durch die Verwendung bereits geprüfter Module bei gleichzeitig höherer Qualität und kürzerer Durchlaufzeiten.

Umgesetzt wird diese Methode in einer Kombination aus Beratung, Coaching und Software mit der Unterstützung von ID-Consult, die sich auf modularen Baukastensysteme und die Implementierung von Metus-Anwendungen spezialisiert haben. Die Zusammenarbeit mit dem Münchener Lösungshaus ergab sich, nachdem man im Auswahlprozess feststellte, dass eine reine Modularisierungsberatung nicht ausreichend wäre: Nur die Gesamtsicht auf das Produkt – von den Marktanforderungen bis hin zur Produktarchitektur – und ihre entsprechende Abbildung in Software würde das Unternehmen entscheidend weiterbringen.

Damit wurde ein dreistufiges Umsetzungskonzept verabschiedet:

  • In der ersten Phase wurde die Metus-Methodik anhand der Salpetersäure-Anlagen eingeführt.
  • Gleichzeitig damit wurde in jedem Schritt ein Know-How Transfer durchgeführt, mit dem „Star-User“ bei Thyssenkrupp Industrial Solutions das Wissen über Methode und Werkzeuge erhielten.
  • Nach einem erfolgreichen Modularisierungsdurchlauf für den ersten Anlagentyp und der Verankerung der methodischen Vorgehensweise sollten weitere Anlagen autark durch das Team von Thyssenkrupp modularisiert werden, wobei beraterische Unterstützung nur noch in Einzelfällen notwendig sein soll.

Bereits kurz nach Beginn des ersten Schrittes stellte sich heraus, dass es großes Interesse aus anderen Bereichen gab, diese Methode zu nutzen. So wurde die Entscheidung getroffen, die Initiative PCPC unmittelbar auf eine zweite Anlagentechnologie – Ammoniak – auszuweiten. Damit eröffneten sich gleichzeitig neue Möglichkeiten: Man konnte die Modularisierung nun unmittelbar über mehrere Anlagentypen hinweg betrachten. Dabei wurde klar: Anlagentypübergreifend konnten zahlreiche Funktionen – etwa Wasseraufbereitung oder Leitstand - als “Cross-Technology“-Module ausgeführt und weitgehend identisch über die verschiedenen Anlagentypen hinweg verwendet werden (Abb. 2).

In Sinne des dritten Elements des Umsetzungskonzepts ist Thyssenkrupp Industrial Solutions nun dabei, einen weiteren Anlagentyp in das Pre-configured Plant Concept aufzunehmen. Dabei ist das Unternehmen nun methodisch autark, bedient sich aber der Metus-Software für die Darstellung der Produkt-Architekturen mit ihren jeweiligen Abhängigkeiten.

Was ist so smart am Pre-configured Plant Concept?

Das erste funktional modularisiert geplante Anlagenkonzept bildet so die Grundlage für die nächsten Projekte. Der Funktionsbaukasten liefert auf die Kundenanforderungen zugeschnittene technische Konzepte und direkt dazu passende Engineering-Dokumente.

„Smart“ wird das Modularisierungskonzept durch die Kombination dreier Elemente: Der Kundennutzen steigt durch Kostenvorteile bei gleichbleibender Flexibilität, der Wiederverwendungsgrad kann deutlich gesteigert werden und das im Unternehmen verankerte methodische Vorgehen ermöglicht Thyssenkrupp Industrial Solutions die autarke Erweiterung des Pre-configured Plant Concepts – zukunftsfähig und im besten Sinne des modularen Engineering.

* * Dr. J. Mathiak ist Head of Process Nitrates & Phosphates bei Thyssenkrupp Industrial Solutions. Dr. J. Dammeier ist Senior Process Engineer im Bereich Product Development Nitrates & Phosphates bei Thyssenkrupp Industrial Solutions.

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