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Modularisierung von Prozessanlagen So geht modularer Anlagenbau: aus dem Erfahrungsschatz erfolgreicher Pilotprojekte

Autor / Redakteur: Oleg Makarov* / Dr. Jörg Kempf

Nicht nur in der Prozessautomation erweisen sich Flexibilität und die Wiederverwendbarkeit einmal erstellter Anwendungen als wichtiger Trend. Praktische Beispiele haben bereits gezeigt, dass sich derartige Anforderungen durch das Modularisieren von Prozessanlagen umsetzen lassen. Die Grundlagen für solche modularen Anlagen sind 2013 mit der Namur-Empfehlung NE 148 gelegt worden. Seither ist viel passiert …

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Die Modularisierung von Prozessanlagen eröffnet deutliche Vorteile, die sowohl Modulbauer als auch Anlagenbetreiber erkannt haben.
Die Modularisierung von Prozessanlagen eröffnet deutliche Vorteile, die sowohl Modulbauer als auch Anlagenbetreiber erkannt haben.
(Bild: Phoenix Contact)

Seit nunmehr sieben Jahren befassen sich verschiedene Unternehmen mit der Aufgabe, den Datenaustausch zwischen einzelnen Anlagenmodulen zu standardisieren, damit sich deren Zusammenschaltung zu einer Automatisierungsanlage vereinfacht. In den zu diesem Zweck von den Verbänden Namur und ZVEI gebildeten Arbeitskreisen sind mittlerweile die VDI/VDE/Namur-Richtlinien 2658-1, -2 und -3 entstanden, die sich jeweils mit allgemeinen Konzepten, der Modellierung der HMI (Human Machine Interface) sowie einer Bibliothek von Datenobjekten für das automatische Engineering modularer Anlagen in der Prozessindustrie beschäftigen.

Die Normierungsarbeit hat also Fahrt aufgenommen. In der nächsten Zeit werden die Gründruck-Versionen weiterer Normblätter als Ergebnis des fachlichen Erfahrungsaustausches erscheinen. Insgesamt sind zwölf Themenbereiche geplant. Die Anlagenbetreiber haben schon ihre Bereitschaft signalisiert, die neuen Ansätze in der Praxis auszuprobieren. Phoenix Contact war eines der ersten Unternehmen, das Pilotanlagen gemäß den neuesten Normen automatisiert hat.

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Ableitung der Visualisierung aus dem R&I-Diagramm

Neue Ansätze bergen allerdings auch neue Herausforderungen. Bei der Vorgehensweise muss daher ein gewisses Umdenken stattfinden. Jetzt wird nicht mehr in Steuerungen und Prozessleitsystemen gedacht, sondern in PEAs (Process Equipment Assembly) und einem POL (Process Orchestration Layer).

Wie sich aus der Bezeichnung ableiten lässt, setzt sich ein PEA-Modul aus unterschiedlichen Sensoren und Aktoren zusammen. Es besteht die Möglichkeit, dass die PEAs die Aktoren entweder manuell oder automatisch bedienen. Dazu werden die im Normblatt VDI/VDE/Namur 2658-3 beschriebenen Datenstrukturen herangezogen. Das Normblatt legt zudem fest, wie ein SPS-Programm auszusehen hat, die Aggregate anzusteuern sind, Messstellen ausgelesen werden und welche Zusatzparameter die Messstellen neben dem Realwert mitliefern müssen. Die Ansteuerung der Aktoren findet über ein ausgeklügeltes System von Statusmaschinen und Einstellmöglichkeiten statt. Da die Aktoren verriegelt werden können, sind dafür ebenfalls Schnittstellen vorgesehen.

Es kann jedoch sein, dass sich die Aktoren nicht über analoge und digitale E/A-Module oder gängige Ethernet- bzw. serielle Protokolle ansprechen lassen, sondern über proprietäre Lösungen. Beim offenen Ecosystem PLCnext Technology löst der Anwender diese Aufgabe u.a. einfach durch die Einbindung von in Hochsprache geschriebenen Funktionsblöcken. Daraus ergeben sich auch beim Modularisieren bestehender Anlagenteile erhebliche Vorteile.

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In Großanlagen der Prozessindustrie wird viel Aufwand betrieben, um die Anlagendokumentation stets aktuell zu halten. Mitarbeiter der Instandhaltung oder Fremdunternehmen sichten die Produktionsanlage regelmäßig und dokumentieren festgestellte Änderungen durch so genannte Roteinträge. Die Übertragung dieser Roteinträge von Papierlisten in ein R&I-Fließschema birgt oft die Gefahr von Fehlern. Aufgrund des sich ständig ändernden Feldgerätebestands und der zum Teil fehlenden Informationen ist ein Lagerbestand nicht planbar und erschwert einen erforderlichen Gerätetausch.

80 Prozent der Prozessanlagen sind mit digitalen, Hart-fähigen Feldgeräten ausgestattet, doch nur fünf Prozent nutzen diese digitalen Signale. Phoenix Contact ermöglicht deshalb den nachträglichen Abgriff der Hart-Daten und stellt die dafür benötigten Felddaten im OPC-UA-Format rückwirkungsfrei zur Verfügung. Durch die zusätzlichen smarten Feldgerätedaten wird eine digitale Anlagentransparenz geschaffen, der so genannte digitale Zwilling. Mit dieser Transparenz verbessert sich die Wartung, Instandhaltung und Verfügbarkeit deutlich.

Die Modulvisualisierung wird aus dem R&I-Diagramm abgeleitet. Hierfür steht eine Bibliothek mit Visualisierungsobjekten zu Verfügung, die mit den standardisierten Schnittstellen verknüpft werden können. Die Objekte verfügen über eine Benutzerverwaltung, damit sich die sicherheitsrelevanten Einstellungen nicht von jedem Mitarbeiter, vielmehr nur vom autorisierten Personal durchführen lassen. Die in die PLCnext-Steuerung integrierte Webvisualisierung kann über einen Webbrowser oder ein Web-Panel eingesehen werden.

Aufteilung der Modulfunktion in Services

Das R&I-Diagramm wird ferner als Grundlage für das automatisierte Erstellen von Projektrümpfen im MTP Designer genutzt. Mit diesem Module-Engineering-Tool steht eine alternative Vorgehensweise zur Verfügung, die zusätzlich Zeit spart. Dazu wird die Modulfunktion in Services aufgeteilt. Die Services umfassen eine auf der Norm ISA-88 basierende Statusmaschine, die alle möglichen Regelbetrieb- und Fehlerzustände abbildet. Diese Zustände müssen von einem Automatisierungsingenieur ausprogrammiert werden, um für den sicheren Betrieb der Anlage zu sorgen. An dieser Stelle kommt das eigene Know-how des Modulherstellers zum Tragen.

Die für den Service benötigten Aktoren werden in der Regel gesperrt und im Automatikbetrieb gefahren. Es erweist sich als sinnvoll, die Aggregate nur einem Service zuzuordnen. Die Services lassen sich über die Prozeduren spezifizieren und über die Parameter einstellen. Falls z.B. eine bestimmte Durchflussmenge erreicht werden soll, wird eine Pumpe von einem PID-Regler gesteuert, der einen Service-Parameter als Sollwert erhält. Die PEAs sind mit sämtlichen Sensoren, Aktoren, der Visualisierung, den Services und deren Parametern in einer Exportdatei beschrieben. Beim Format der Beschreibungsdatei handelt es sich um MTP (Module Type Package), das auf dem XML-Datenformat AML (Automation Markup Language) basiert. Die Datei beinhaltet alle nützlichen Informationen, die für die Dateneinbindung in einen POL erforderlich sind.

Durch die formalisierte Beschreibung per MTP-Datei wird ein mobiles Automatisierungsmodul geschaffen, das einfach und flexibel in die Prozessanlagen integriert werden kann. Datenpunkte müssen nicht mehr händisch angelegt und mit den Visualisierungsobjekten verbunden werden. Das erfolgt jetzt automatisch beim Dateiimport. Mit dem MTP Designer wird aus den R&I-Schemata der Verfahrenstechniker bereits in der Konzeptphase auf Knopfdruck die MTP-Beschreibungsdatei generiert. Modul- und Anlagen-Engineering können parallel ablaufen, was zu Vorteilen wie der Verringerung der Engineering-Kosten und Reduzierung des Time-to-Market führt. Die prozesstechnische Anlage wird nicht mehr geleitet, sondern orchestriert.

Der POL legt fest, welcher Service seinen Durchlauf beendet und welcher andere Service anschließend beginnt. Dieser Ablauf wird über die Logik gesteuert, die in einer Schrittkette zusammengefasst ist. Die Module werden lediglich über Servicezustände und -parameter orchestriert. Der Anlagenfahrer kann den Status der Services einfach überwachen. Außerdem lassen sich die Aktoren nach wie vor während der Inbetriebnahme manuell schalten. Die Modulvisualisierung wird mit sämtlichen Datenverknüpfungen mit der MTP-Datei importiert und benötigt gegebenenfalls nur geringe Anpassungen.

Datenaustausch via OPC UA

Als Schnittstelle für den Datenaustausch kommt OPC UA zum Einsatz. Deshalb stellt es kein Problem dar, wenn in einer Anlage Module kombiniert werden, die mit der Steuerungstechnik verschiedener Hersteller automatisiert sind. Der Anlagenbetreiber soll sich nicht mit unterschiedlichen SPS-Typen beschäftigen. Er erwirbt die nötigen Funktionen und kann sich auf die Prozesse konzentrieren. Wo früher jedes Anlagenteil meist ein Einzelstück war, wird heute von Anlagenmodulen gesprochen, die einfach ausgetauscht und skaliert werden können, ohne einen erheblichen Anlagenstillstand zu verursachen. Indem in den Prozessanlagen Module genutzt werden, entstehen neue Geschäftsmodelle, etwa das Leasing von Funktionen.

Fazit: Die Modularisierung von Prozessanlagen eröffnet deutliche Vorteile, die sowohl Modulbauer als auch Anlagenbetreiber erkannt haben. In realen Pilotprojekten ist schon ein Proof-of-Concept erbracht worden. Darüber hinaus haben sich Lücken und Schwachstellen in den Gründruck-Ständen weiterer Normblätter gezeigt. Diese Erkenntnisse wurden als Einsprüche in die Arbeitskreise zurückgespielt, um entsprechende Verbesserungen vorzunehmen.

* Der Autor ist Mitarbeiter im System Management Process, Phoenix Contact Electronics GmbH.

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