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MTP: Modulare Automation Module Type Package - Visionäre Konzepte in die Realität umsetzen

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Wandlungsfähige, modulare Anlagen sind eine Antwort der Prozessindustrie auf sich laufend ändernde Marktanforderungen. Die Entwicklung von Standards für die Integration einzelner Module in den Gesamtproduktionsprozess ist in vollem Gange. Das „Module Type Package“-Konzept (MTP) gibt dabei den einzelnen Modulen eine digitale Beschreibung und ermöglicht deren flexible Verbindung und Orchestrierung.

Eine Antwort auf den immer lauter werdenden Ruf nach Flexibilität sucht die biopharmazeutische Industrie vermehrt in der Modularisierung von Produktionsanlagen.
Eine Antwort auf den immer lauter werdenden Ruf nach Flexibilität sucht die biopharmazeutische Industrie vermehrt in der Modularisierung von Produktionsanlagen.
(Bild: (c) 2018 Alexander Supertramp/Shutterstock)

Im Umfeld von Pharma 4.0 kommen Trends zum Tragen, die zu immer volatileren Märkten, stärker individualisierten Produkten und kleineren Chargen – wie beispielsweise in der personalisierten Medizin benötigt - führen. Zugleich wird eine immer kürzere „Time-to-Market“ gefordert. Insbesondere die Biopharmabranche beschäftigt sich deshalb intensiv mit innovativen Konzepten für die Planung und den Bau ihrer hochspezialisierten Prozessanlagen. Gefragt sind flexible und erweiterbare Lösungen, die sehr oft auch Single-Use-Equipment beinhalten. Können heutige Produktionsanlagen den neuen Anforderungen noch gerecht werden? Eine Antwort auf den immer lauter werdenden Ruf nach Flexibilität sucht die biopharmazeutische Industrie vermehrt in der Modularisierung.

Visionäre Konzepte sehen vor, dass sich Produktionsanlagen zukünftig schnell und unkompliziert aus einzelnen Bausteinen mit unterschiedlichen Funktionen zusammenbauen lassen. Je nach Bedarf sollen autarke Anlagenmodule hinzugeschaltet werden und „Plug-and-Produce“ ermöglicht werden. Ein Modul bildet dabei jeweils einen oder mehrere standardisierte Produktionsschritte ab. Die Produktionskapazität kann durch das Hinzufügen gleichartiger Module (Numbering-up) erhöht werden, eine flexible Rekonfiguration erlaubt die Produktion verschiedener Produkte. Der Aufwand für das Engineering der Anlagen ist außerdem geringer, die Time-to-Market wird reduziert, und Investitionsrisiken werden verringert.

Unbestritten ist, dass Module, die ein echtes „Plug-and-Produce“ gewährleisten, ein enormes technisches und wirtschaftliches Potential eröffnen. Die derzeit größten Herausforderungen liegen allerdings in der Vernetzung und Automatisierung der Produktionsmodule. Die Vorteile des modularen Aufbaus sollen schließlich nicht durch neue Aufwände bei der Integration der Module zunichte gemacht werden. Eine durchgängige Modularisierung von Anlagen – vom Engineering bis zum automatisierten Betrieb – lässt sich nur realisieren, wenn es verbindliche und einheitliche Standards gibt. Daher haben Namur, die Interessensgemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie und ZVEI, der Verband der Elektroindustrie in Deutschland, eine Reihe von Anforderungen aufgestellt und unter dem Begriff Module Type Package (MTP) veröffentlicht.

Module Type Package: herstellerunabhängig und flexibel

Gemeinsames Projekt von ZETA und Rockwell Automation: Der ZETA FreezeController - ein automatisiertes System zum kontrollierten Einfrieren, Temperaturhalten und Auftauen von wertvollen biopharmazeutischen Produkten - wird zum MTP-fähigen Modul entwickelt.
Gemeinsames Projekt von ZETA und Rockwell Automation: Der ZETA FreezeController - ein automatisiertes System zum kontrollierten Einfrieren, Temperaturhalten und Auftauen von wertvollen biopharmazeutischen Produkten - wird zum MTP-fähigen Modul entwickelt.
(Bild: ZETA GmbH / Werner Krug)

Das MTP-Konzept sieht vor, große Teile der Steuerungs- und Regelungsintelligenz in die Module selbst zu verlagern, um diese dann herstellerunabhängig und flexibel in die Prozessleitebene integrieren zu können. Basis des Ansatzes ist die digitale Beschreibung der Schnittstellen und Funktionen der Automatisierungstechnik des Anlagenmoduls in Form des Module Type Package (MTP). Die Arbeitskreise von Namur und ZVEI beschäftigen sich seit 2015 damit, einen MTP-spezifischen Standard zu entwickeln: VDI/VDE/Namur 2658. Dieser wird unterschiedlichste Bereiche – von der Prozesskontrolle über Diagnose und Maintenance bis hin zu Sicherheitsaspekten und der Benutzeroberfläche (HMI) inkludieren.

Eine wichtige Voraussetzung zur Integration der Module ist eine MTP-fähige Prozessleitebene. Dazu braucht es eine einheitliche und übergeordnete Oberfläche, die die Orchestrierung der Module ermöglicht. Diese Ebene wird als Process Orchestration Layer (POL) bezeichnet. Der Datenaustausch zwischen Modul und der Orchestrierungsebene erfolgt im Betrieb über die OPC Unified Architecture (OPC UA).

Es geht darum, eine standardisierte und systemunabhängige funktionale Beschreibung von Modulen zu entwickeln. Sind die Standards für die jeweiligen Teilaspekte definiert, können die Modulhersteller deren Implementierung in Angriff nehmen. Auf diese Weise werden seit einigen Jahren Technologiedemonstratoren entwickelt anhand derer gezeigt wird, wie Module unabhängig vom Hersteller automatisch in die POL integriert werden können.

Eine weitere Herausforderung ist, wie modulare Anlagen im derzeitigen rechtlichen Rahmen durch die Behörden genehmigt werden können. Verschiedene Modelle scheinen hier möglich: Beispielsweise könnte jedes Modul für sich qualifiziert und bestimmte Modulkombinationen durch die Behörden genehmigt werden. Auch die Grundqualifizierung der MTP-Files der Module wäre denkbar, um die spätere Qualifizierung im POL zu vereinfachen.

Der Zeta FreezeController als Demonstrator für MTP

Die FreezeController können in ein übergeordnetes, bestehendes Automatisierungssystem integriert werden. Dabei können alle gängigen Automatisierungssysteme bedient werden (Siemens PCS7, Rockwell, Emerson DELTA-V).
Die FreezeController können in ein übergeordnetes, bestehendes Automatisierungssystem integriert werden. Dabei können alle gängigen Automatisierungssysteme bedient werden (Siemens PCS7, Rockwell, Emerson DELTA-V).
(Bild: ZETA Gmbh / Werner Krug)

An der Implementierung des MTP-Standards ist Zeta in Kooperation mit Rockwell Automation mit einem eigenen Pilotprojekt beteiligt. In dessen Zentrum steht ein Demonstrator-System auf Basis des FreezeControllers. Das in der Praxis bewährte, automatisierte System zum kontrollierten Einfrieren, Temperaturhalten und Auftauen von wertvollen biopharmazeutischen Produkten soll zum MTP-fähigen Modul entwickelt werden, um es flexibel in modulare Anlagen zu integrieren. Auf dem Weg dorthin gilt es, die MTP-spezifischen Standards zu implementieren, und zwar in allen zum Tragen kommenden Kategorien (es sind zwölf VDI Blätter geplant).

Die Automationsexperten der Zeta Deutschland werden anhand unterschiedlicher Use Cases Lösungen zeigen, wie der Demonstrator ins Leitsystem integriert wird. Sven Franke, Head of Automation, erläutert dies näher: „Der Demonstrator spielt eine zentrale Rolle in der Zusammenarbeit mit der Namur sowie ZVEI und Rockwell Automation. Er soll zeigen, wie einfach die Integration unserer Module in verschiedene POL Systeme sein wird. Der Demonstrator steht Kunden in unserem neuen Automation Lab im Munich Airport Business Park für Testungen zur Verfügung.“

Sven FRANKE

Head of Automation, ZETA GmbH
Tel. +49 (151) 550 51091
Per Mail kontaktieren

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