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Modularisierung der Prozesstechnik MTP macht’s möglich – so wird Engineering kinderleicht

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Best Practice in Perfektion: Ein Pilotprojekt, bei dem Festo ein Produktionsmodul automatisiert hat, weist den Weg in die Zukunft der Modularisierung im Anlagenbau mit MTP (Module Type Package).

Mit Module Type Package (MTP) wird Engineering kinderleicht.
Mit Module Type Package (MTP) wird Engineering kinderleicht.
(Bild: ©VRD, ©inarik - stock.adobe.com; Festo)

Extreme Nachfrageschwankungen gehören heute zum täglichen Geschäft. Dies gilt bei der industriellen Wasseraufbereitung, in der Feinchemie und insbesondere durch die wachsende und alternde Weltbevölkerung für die medizinische Versorgung und die Produktion einer ausreichenden Menge an Lebensmitteln. Die Antwort darauf kann nur sein, Produktionsanlagen flexibler zu gestalten. Diese Flexibilität entsteht über die Modularisierung der Prozesstechnik, des Maschinenbaus und der Automatisierungstechnik.

Nachfrageschwankungen effizient zu begegnen, ist aber nicht der einzige Vorteil modularer Anlagen. Modularisierung hilft auch, neue Produkte schneller am Markt einzuführen. Ebenso sorgt sie für mehr Effizienz im Engineering, da die Anlagenteile wiederverwendbar sind. Prädestiniert ist sie auch, individualisierte Produkte herzustellen. Anlagenmodule, die relativ schnell aufgebaut und in Betrieb genommen sind, erhöhen auch die Standortmobilität.

Der ZVEI rechnet bis im Jahr 2030 für modulare Anlagen mit einem Anteil von 25 Prozent am Gesamtmarkt.

Einbettung des MTP

Ein Vergleich aus dem Konsumgüterbereich führt die Vorteile von MTP vor Augen. MTP wirkt in einer Anlage wie ein Treiber für ein Modul, das über USB angeschlossen wird. Die Wirkungsweise ist ähnlich: Die MTP-Beschreibungsdatei wird eingelesen und verstanden, so dass das Modul direkt verwendet werden kann – ähnlich wie eine Maus oder Tastatur, die an einen Rechner angeschlossen werden. So ist auch die Vorgehensweise bei Invite: Die Pilotanlage realisiert die modulare Automatisierung von Prozessmodulen verschiedener Hersteller, den Process Equipment Assemblies (PEA), deren Schnittstellen, Dienste und Bedienbilder durch MTP-Beschreibungsdateien spezifiziert sind, um die Produktion zu flexibilisieren. Das MTP enthält eine herstellerneutrale und funktionale Beschreibung der Fähigkeiten eines Prozessmoduls. Der Import des MTP in die Prozessleittechnik bzw. in den Process Orchestration Layer (POL) der Produktionsanlage integriert das Modul auf einfache Weise.

Invite – der Name ist Programm

Bei diesem Private-Public-Partnership des Life-Science-Giganten Bayer und der TU Dortmund sowie der Uni Düsseldorf sind Unternehmen eingeladen, an zukunftsweisenden Projekten mitzuarbeiten, die die Produktionsprozesse und die Prozessautomatisierung einen weiteren Schritt nach vorne bringen. Ein Beispiel ist die modulare Pilotanlage von Invite, bei der Festo ein Produktionsmodul automatisiert hat. Dabei steht das Module Type Package, kurz MTP, im Mittelpunkt, das von Namur, ZVEI und Forschungseinrichtungen vorangetrieben wird.

Unterstützung durch Festo-Experten

Mithilfe des MTP kann das Bedienbild des Moduls, das alle statischen und dynamischen Informationen enthält, automatisch innerhalb des POL generiert werden. Darüber hinaus bietet das MTP die Möglichkeit einer dienstebasierten Steuerung. Der MTP-Standard wird in der GMA unter aktiver Mitwirkung von Festo-Mitarbeitern spezifiziert. Er basiert dabei auf Konzepten von Namur und ZVEI. „Bei der Implementierung in den POL war zu berücksichtigen, dass der MTP-Standard sich noch in der Ausarbeitungsphase befindet. Doch Spezialisten von Festo konnten uns hier mit ihrer Expertise und den passenden Lösungen wie der Automatisierungsplattform CPX mit kurzer Reaktionszeit unterstützen“, erklärt Alexander Wittenbrink, Projektmanager bei Invite.

Der Reihe nach: „Als Grundlage für das Projekt bei Invite hat Festo eine Entwicklungsumgebung für das Applikationsengineering vorgestellt. Dabei spielt das PA-Toolkit von Festo eine zentrale Rolle. Diese MTP-fähige Bibliothek stellt umfangreiche MTP-konforme Funktionsbausteine für die einzelnen Komponenten im Modul zur Verfügung“, erläutert Christian Stich, Leiter Advanced Development Digital Engineering bei Festo. Als Ergebnis des Applikationsengineerings wird automatisch eine auf MTP-Kompatibilität überprüfte Beschreibungsdatei erzeugt, die im Zusammenspiel mit der intrinsischen MTP-konformen Architektur die reibungslose Integration in die Prozessführungsebene (POL) garantiert.

Numbering-up statt Scale-up

Die Module können mit niedrigem Aufwand in die automatisierungstechnische Gesamtlösung der Produktion integriert werden. Damit kann der Betreiber der Anlage eine Vielzahl automatisierter Module beifügen, ohne die Automatisierungstechnik der Gesamtanlage erweitern zu müssen. „Es geht darum, Anlagen einfach erweitern oder modifizieren zu können, um eine größere Flexibilität in der Produktion zu erreichen. Betreiber müssen auch nicht sofort in großtechnische Anlagen gehen, sondern können Kapazitäten erhöhen durch ein Numbering-up von Modulen statt Scale-up der Technikumsanlage“, sagt Alexander Vargas, Leiter Key Account und Industry Segment Management Process Industries bei Festo.

Neue Anlagen werden nicht mehr monolithisch als Einzelanlage mit einer zentralen Steuerungsebene konzipiert. Dafür werden Teilprozesse in eigenständigen Modulen realisiert, die vollständig automatisiert sind. Wird eine neue Anlage modular geplant, kann der Gesamtprozess aus fertigen Modulen aufgebaut werden. Die Module stellen die entsprechenden Teilprozesse in Form von Diensten zur Verfügung. Das spart im Vergleich zur klassischen Anlagenplanung viel Zeit, gibt Planungs- und Kostensicherheit und reduziert Investitionsrisiken. Letztendlich erlaubt das Plug-and-Produce eine wesentlich schnellere Produkteinführungszeit beispielsweise neuartiger Medikamente.

Enorme Anpassungsfähigkeit

Außerdem ist es ohne großen Aufwand möglich, die Produktionsmenge zu erhöhen oder zu verringern, indem in der Anlage die Anzahl der entsprechenden Module angepasst wird. Es lassen sich auch einzelne Module gegen Module mit anderen Funktionalitäten austauschen, um auf diese Weise ein modifiziertes Produkt herzustellen.

Bildergalerie

„Softwaretechnisch stellt das Module Type Package, kurz MTP, eine standardisierte Schnittstelle zwischen dezentraler Steuerung und Prozessführungsebene zur Verfügung“, ergänzt Automatisierungsexperte Stich. Seine Ziele: neue Produktionsanlagen schnell in Betrieb nehmen, Produktionsprozesse einfach modifizieren, um kurzfristig das Produktionsvolumen erhöhen, vermindern oder einzelne Teilprozesse gegen andere austauschen zu können. Im Module Type Package sind eine Reihe von steuerungstechnisch relevanten Assets definiert. Dies können die Schnittstellen real existierender oder funktionaler Komponenten, Moduldienst-Beschreibungen oder Symbole des Bedienbildes sein. Zudem beinhaltet das MTP eine Beschreibung der Modulfähigkeiten als Dienste.

Intuitive Modulentwicklung

Die damit verbundene Verlagerung von Automatisierungsintelligenz aus einer zentralen Automatisierungsebene hinein in die moduleigene dezentrale Steuerung stellt die Anlagenbauer jedoch vor neue Herausforderungen. Stich dazu: „Festo setzt mit dem PA-Toolkit, einer Bibliothek für Codesys-basierte Steuerungen, genau hier an und gibt Modulentwicklern ein Werkzeug in die Hand, mit dem sie intuitiv die vollständige Automatisierung oder die Bedienbildvisualisierung eines Moduls erstellen und somit eine standardisierte MTP-Beschreibungsdatei erzeugen können. Damit wird die Programmierung dezentraler Steuerungen wie etwa der CPX-CEC von Festo wesentlich vereinfacht.“

Ein umfangreiches Set an vordefinierten Funktionsbausteinen und entsprechenden Symbolen erlaubt es, auf einfache Art und Weise Dienste mit Steuerungslogiken und Visualisierungen zu entwickeln. Es genügt, das Symbol mit dem entsprechenden Funktionsblock der Komponente zu verlinken, um den vollen statischen und dynamischen Funktionsumfang des Symbols nutzen zu können. Dabei werden die im MTP-Standard definierten Schnittstellen verwendet, so dass alle Funktionalitäten in gleicher Art auch in einem beliebigen MTP-fähigen Prozessführungssystem genutzt werden können. Damit können Anbieter von verfahrenstechnischen Einheiten die Automatisierungslogik ohne tiefere Programmierkenntnisse implementieren.

Weiterentwicklung

Bereits heute sind die wesentlichen Aspekte für den MTP-Standard spezifiziert, der Standard ist für die industrielle Nutzung bereit. Weitere Schritte sind eine standardisierte Diagnose-Logik für MTP-Module. Pilotprojekte wie Invite oder auch die Idea-Anlage in Frankfurt-Höchst, in der Festo ebenso ein MTP-Modul beisteuert, weisen den Weg in die Zukunft der Modularisierung mit MTP.

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