Modularisierung der Produktion und ihre Auswirkungen

Special Prozessautomation
Modularisierung der
Produktion und ihre
Auswirkungen
Modulare Anlagen sind mittlerweile in der Prozessindustrie eine ernst zu
nehmende Option. Mit einer zunehmenden Modularisierung werden sich
voraussichtlich die Architekturen von Leitsystemen und Sensoren sowie
die Geschäftsmodelle und die Anbieterstruktur verändern. Die Konsequenzen und Chancen wurden in einer Expertenrunde diskutiert.
Ronald Heinze
Expertenrunde für modulare Anblagen in der Prozessindustrie: Prof. Leon Urbas, Professur für Prozessleittechnik der TU
Dresden und Mitglied des Namur-Arbeitskreises AK1.12 Modularisierung; Dr-Ing. Jörn Oprzynski, Director R&D Process
Automation in der Vorfeldentwicklung bei der Siemens AG; Dr.-Ing. Sven Lohmann, Business Development Management
bei der Emerson Process Management GmbH & Co. OHG; Axel Haller von ABB, Dr. Thomas Albers von Wago und
Johannes Kalhoff von Phoenix Contact (v. l.)
Wer über Modularisierung der Produktion spricht, meinte bisher vor
allem die Fertigungsindustrie.
Aber auch in der Prozessindustrie
kann die Modularisierung unter be-
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stimmten Voraussetzungen die Effizienz erhöhen. „Aus der Sicht der
Verfahrenstechnik ist Modularisierung immer dort sinnvoll, wo es eine
Lücke zwischen flexiblem Batch-Be-
trieb mit niedriger Raum-Zeit-Ausbeute und kontinuierlichem Betrieb
mit hoher Produktivität gibt“, erläutert Prof. Leon Urbas. „Modularität
soll dazu führen, dass Flexibilität
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Dr. Thomas Albers, Geschäftsleitung Automation bei der Wago
Kontakttechnik GmbH & Co. KG
in Minden
Johannes Kalhoff ist bei Phoenix
Contact im Bereich Corporate
Technology tätig
Axel Haller ist bei ABB im
Kompetenzcenter Chemie für die
Betreuung der Kunden aus der
Prozessindustrie zuständig
und Quantität sich gegenüber, aber
nicht gegeneinander stehen. Auch für
kleine Chargen soll effizient produziert werden.“ Für Dr. Jörn Oprzynski
spielt noch ein weiterer Aspekt eine
wesentliche Rolle: „Es geht vor allem
darum, die Zeit für das Engineering
von der Produktidee bis zur industriellen Produktion zu verkürzen.“ Er
nennt in diesem Zusammenhang die
auf dem Tutzingen Symposium 2009
geborene 50-%-Idee: „Vom Produkt
zur Produktionsanlage in der halben
Zeit.“ Den Lösungsweg dafür ebnet
die modulare Produktion.
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Special Prozessautomation
Konsequenzen und Chancen der Modularisierung der Produktion in der Prozessindustrie wurden in einer Expertenrunde
des ZVEI diskutiert – moderiert von openautomation-Chefredakteur Ronald Heinze
Zusätzlich reduziert die Modularisierung das unternehmerische Risiko. „Modulare Anlagen führen zu
e iner höheren Flexibilität“, so

Dr. J. Oprzynski weiter. „Die Module können überall auf der Welt aufgestellt werden und sind jederzeit
skalier- und veränderbar.“ Dr. Sven
Lohmann erwähnt „eine deutliche
Steigerung der Produktivität“ mithilfe der Module. Außerdem ist er
überzeugt, dass kleinere Anlagen
die Effizienz steigern und den Energieverbrauch minimieren.
Was versteht man überhaupt unter einem Modul in der Prozessindustrie? „Ein Modul ist eine Package Unit, die sich durch einfache Integration auszeichnet“, erklärt
Axel Haller. „Es beinhaltet eine verfahrenstechnische Funktion oder einen verfahrenstechnischen Schritt,
der von einem Extruder bis zum Reaktor reichen kann.“ Dr. J. Oprzynski
bestätigt: „Ein Modul realisiert eine
oder mehrere verfahrenstechnische
Funktionen. Zum Modul gehört aber
auch die digitale Beschreibung des
Moduls einschließlich seiner
Schnittstellen, seiner Automatisierung und seines HMI.“
Folgen auf die Automatisierung
Die Modularisierung hat selbstverständlich Folgen auf die Automatisierung. Laut Johannes Kalhoff
muss dafür die gesamte Prozesskette betrachtet werden – vom Engineering bis zur Bedienung im Be-
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trieb. „Vor den Ausw
irkungen für
die Zukunft sollten wir die Auswirkungen für die Gegenwart betrachten“, teilt Dr. Thomas Albers mit.
„Es geht darum, die Package Units
so intelligent zu machen, dass sich
der Engineering-Aufwand bei der Integration reduziert. Dazu muss die
verfahrenstechnische Automatisierung mitsamt ihre kommunikationstechnischen Komponenten modular
gestaltet werden.“
A. Haller erwartet, dass die Standardisierung dazu führen wird,
dass sich proprietäre Systeme öffnen müssen. Weiterhin sind „Services erforderlich, damit die Datenmengen der intelligenten Module
innerhalb des Systems ausgewertet werden können“. Dr. J. Oprzynski rechnet sogar mit einem neuen
Marktsegment für die Automatisierung: „Der Grad der Automatisierung steigt, die Automatisierung
selbst wird intelligenter.“
Wird die Intelligenz im Leitsystem oder in den Modulen zunehmen? „Die gesamte Anlage muss
intelligent werden“, weiß Dr. T. Albers. „Wie die verteilte Intelligenz
gemanagt wird – ob verteilt oder
zentral, bleibt dann eine Kernfrage. Mit dezentraler Intelligenz wird
die Zustandsüberwachung verbessert.“ In die gleiche Kerbe schlägt
J. K alhoff: „Die Module müssen
für den Gesamtprozess optimiert
werden.“ Sie müssen einfach in
die Anlage integrierbar sein. Wich-
tig dabei ist die Handhabung des
G esamtprozesses über das Be
diensystem. Ähnlich sieht dies
A. Haller: „Leitsysteme wird es weiter geben, aber sie werden sich zu
einer Automatisierungs- und Inte
grationsplattform entwickeln. Die
Module werden intelligent, können
aber allein keinen kompletten Prozess steuern.“
Konsequenzen
auf die Anbieterstruktur
Dr. Thomas Albers ist überzeugt,
dass sich die heutigen Anbieter am
Markt auch in Zukunft bewähren
werden. Allerdings werden auf dem
Gebiet der Module neue Anbieter
auftauchen. „Die Verantwortlichkeiten im Anlagenbau verschieben
sich“, betont Dr. J. Oprzynski. „Modulanbieter werden Verantwortung
übernehmen müssen, denn der
Systemintegrator muss sich ohne
Re-Engineering auf die sichere
Funktionalität des Moduls verlassen können.“ Dr. Sven Lohmann ist
hingegen der Meinung, dass der
Know-how-Träger für das Verfahren
der Hersteller eines Produkts
selbst bleiben wird.
„Wenn wir eine Anlage in wiederverwendbare Teilanlagen zerlegen,
müssen wir lernen, nicht in einmaligen Umsetzungen zu denken, sondern in Familienkonzepten“, räumt
Prof. L. Urbas ein. Dabei stellt sich
die Frage nach den Freiheitsgraden, die zu erreichen sind. Fernziel
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sollte das Zero-Engineering sein. Laut Dr. T. Albers
geht es dabei nicht nur um die Verfahrenstechnik:
„Das Modul verfügt über gekapseltes Know-how und
langfristig sprechen wir von einer ‚Black-Box-Automatisierung‘, auf Basis welcher sich die Anwender nicht
mehr mit jedem Detail beschäftigen müssen.“ Der Vorteil dabei: Die Time-to-Market wird verkürzt. J. Kalhoff
nennt dazu einen weiteren Aspekt: „Das Universalmodul bildet eine verfahrenstechnische Grundfunktion
und kann nur unter bestimmten Rahmenbedingungen
angewendet werden. Der Kunde kann hier sein Prozesswissen mit einbringen, um ein Modul an den spezifischen Prozess zu adaptieren und ergebnisorientiert
zu optimieren.“
Dr. J. Oprzynski ist überzeugt, dass sich für die erfolgreiche Etablierung einer modularen Produktion in
der Prozessindustrie das Marktsegment der Modulhersteller herausbilden muss: „Die Modulhersteller liefern
eine Lösung zur sicheren Beherrschung bestimmter
verfahrenstechnischer Prozessschritte.“ In diesem Zusammenhang ergänzt A. Haller, dass die Intelligenz im
Modul mehr umfasst als das, was der Verfahrenstechniker für die Anlage braucht: „Die vorhandene Intelligenz bietet eine hohes Maß an Flexibilität, sie muss
nur vom Anwender richtig eingesetzt und genutzt werden.“ Im Gegensatz zu heutigen Anlagen, wo jede Änderung sehr aufwendig ist, werden im Zuge der Modularisierung Kosten minimiert.
„Die Package Units der Pharmaindustrie sind heute
schon gut organisiert, aber die Integration in übergeordnete Systeme lässt sich noch optimieren“, weiß
Prof. L. Urbas. Zum Beispiel zeige der Blick nach Leverkusen auf das dortige F3-Factory-Projekt, dass am
ehesten dort modularisiert und standardisiert werden
kann, wo klare Unit Operations mit wenigen Abhängigkeiten von den Produkteigenschaften vorliegen. Die
hohe Geschwindigkeit, Verfügbarkeit und Austauschbarkeit werden die Konkurrenzfähigkeit der Produkte
auf dem Markt erhöhen.
Modularisierung der Prozessindustrie
und Industrie 4.0
„Industrie 4.0 ist zunächst ein Förderprogramm der
Bundesregierung, um die deutsche Wirtschaft auf die
Folgen der Digitalisierung einzuschwören“, berichtet
Prof. L. Urbas. „Digitalisierung in der Prozessindustrie
ist hinsichtlich der vertikalen Vernetzung schon vorhanden. Hinsichtlich der horizontalen Vernetzung in Bezug
auf Anlagenplanung und Instandhaltungszyklen gibt es
noch viele ‚Datensilos‘; das Potenzial dieser Daten
wird noch nicht vollständig genutzt. Aber auch unter
dem Aspekt der Assistenzsysteme zur Entscheidungsfindung kann die Modularisierung und die damit einhergehende Wiederverwendbarkeit von Komponenten einen weiteren Schritt nach vorne ebnen. Dies unterstreicht auch A. Haller: „Modularisierung unterstützt
die Idee von Industrie 4.0, reale Objekten mit einem
virtuellen Abbild zu versehen, um eine frühzeitige und
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Es werden Informationen über die
Leistungsfähigkeit des Moduls und
über den Prozess, in welchen es integriert ist, zur Verfügung gestellt.
„Industrie 4.0 ist kein Selbstzweck, sondern eine Marktentwicklung“, setzt Dr. T. Albers fort. „Letztlich geht es um die Individualisierung von Produkten, die kostenneutral gefertigt werden sollen. Um
als Unternehmen auf dem Markt bestehen zu können, müssen auch
Klein- und Kleinstserien effizient
produziert werden.“ Diese Individualisierung wird durch Modularisierung
und die damit einhergehende flexible Fertigung sowie kurze Umrüstzeiten ermöglicht. Modularisierung erfordere wiederum dezentrale Intelligenz. „Industrie 4.0 wird es ohne
Modularisierung nicht geben“, fasst
er zusammen. Dr. J. Oprzynski bestätigt, dass für Industrie 4.0 in der
Prozessindustrie neben der Digitalisierung der Produktion sowie der
Generierung und Auswertung von
Daten die Modularisierung eine
wichtige Rolle spielt. Selbstverständlich sind die Auswirkungen in
der Fertigungsindustrie andere als
in der Prozessindustrie. J. Kalhoff
erinnert daran, dass hinter Industrie
4.0 Wertschöpfung steckt: „Mit einer daten- und menschenzentrierten
Automatisierung basierend auf Digitalisierung und Modularisierung sind
Steigerungen der Wertschöpfung
um bis zu 30 % möglich.“ Modularisierung im Sinne von Industrie 4.0
hat zum Ziel, modularisierte Prozessschritte adaptiv zu verwenden,
um das Engineering und den Anlagenanlauf zu verkürzen und eine flexible Skalierung der Produktionsressourcen, auch unterschiedlichster
Hersteller, zu vereinfachen.
Zeitliche Umsetzung
Bleibt die Frage nach der zeitlichen
Umsetzung von modularen Anlagen:
„ZVEI und Namur sind eng an diesem Thema dran“, weiß Dr.
J. Oprzynski. Der entsprechende
ZVEI-Arbeitskreis bestätigt: Modulare Automatisierung ist möglich.
„Ein Whitepaper aus Lieferantensicht wird im Februar 2015 veröffentlicht.“ Es liegen bereits erste
Konzepte für die Weiterentwicklung
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der Automatisierung vor. „Wir hoffen, dass der ZVEI-Arbeitskreis zusammen mit der Namur in 2015
die Konzepte für die modulare Automatisierung weiter vorantreiben
werden“, schließt der SiemensMann an. Dr. S. Lohmann ist ebenfalls überzeugt, dass die Anforderungen in Form von Meilensteinen
definiert und Schritt für Schritt umgesetzt werden. Ebenso bestätigt
Dr. T. Albers, dass derzeit Konzepte aufgebaut und in Kürze auch deren Umsetzung in der Praxis gezeigt werden.
Wie dann die herstellerunabhängige und herstellerübergreifende
Umsetzung der Beschreibung der
Module aussieht, muss noch erarbeitet werden. Diskutiert wird laut
Dr. J. Oprzynski über OPC UA und
andere Schnittstellen sowie Datenmodelle. Allerdings müsse nicht
nur die Modularisierung, sondern
auch das Engineering von Anlagen
optimiert werden: „Konzepte zur
einheitlichen Beschreibung der einzelnen Module, inklusive Engineering und HMI, müssen im nächsten
Schritt standardisiert und umgesetzt werden“, unterstreicht Dr.
J. Oprzynski.
In Bezug auf Feinchemie und
Pharma kann sich A. Haller vorstellen, dass in zehn Jahren bis zu einem Viertel aller Anlagen modularisiert sein wird: „Ein wichtiger Grund
ist, dass Modularisierung dabei
hilft, Anlagen auch bei kurzlebigen
Produkten in Betrieb zu halten,
denn die Umrüstung auf ein neues
Produkt ist schnell möglich.“ Prof. L.
Urbas verweist in diesem Zusammenhang auf den hohen Wettbewerbsdruck in der Chemieindustrie,
die Kosten zu optimieren. Er sieht
erste Anwendungen zunächst im
Neuanlagengeschäft: „Gerade bei
einem hohen Investitionsrisiko spielt
die Modularisierung ihre Trümpfe
aus.“ Dr. J. Oprzynski bestätigt:
„Flexibilität und Wettbewerbsfähigkeit sind die Treiber für das Konzept der Modularität.“ Dr. S. Lohmann ist überzeugt, dass „modulare
Anlagen das Investitionsrisiko senken.“ Als Beispiel nennt er den
Markt personenbezogener Medikamente, die flexibel und individuell
produziert werden müssen. „Weitere Felder und Märkte werden sich
auftun. Es steckt sehr viel mehr Potenzial darin, als wir heute glauben.“
Plug-and-produce
als Zukunftsoption?
„Plug-and-produce ist durchaus umsetzbar, aber der Zeithorizont kann
nicht eindeutig festgelegt werden“,
glaubt Dr. S. Lohmann. Laut A. Haller muss dafür eine modulare Verfahrenstechnik vorhanden sein.
„Die technologischen Grundlagen
sind vorhanden“, setzt er fort. „Die
Automatisierer stehen in den Startlöchern, die Anlagenbauer müssen
nun modulare Anlagen bauen.“
Dr. T. Albers sieht das kritischer:
„Ein USB-Stick hat exakt nur eine
Aufgabe zu erfüllen. Ein Modul ist
sehr viel vielfältiger.“ Das Ziel sei ein
erheblich vereinfachtes Integrationsengineering. Aber das wird nicht
dazu führen, dass es kein Engineering mehr gibt. Daher werde es im
eigentlichen Sinne auch kein echtes
Plug-and-produce geben. Dem
schließt sich J. Kalhoff an: „Wir haben zwar einen Bedarf an einfacher
Funktionalität, die Form eines vollständigen Plug-and-produce ähnlich
dem USB-Drucker am PC wird eher
mittel- als kurzfristig machbar sein.“
Für Prof. L. Urbas ist das eine
Definitionsfrage: „Im Prinzip haben
wir Plug-and-produce bereits realisiert. Es handelt sich aber um
Plug, Configure, Check and Produce.
Und dabei ist das Engineering ein
wichtiger Bestandteil. „Risiken müssen beherrschbar bleiben“, warnt
er dabei. „Es muss immer festgestellt werden können, ob alles richtig gemacht wurde. Selbst wenn jedes Modul über alle Zertifikate verfügt, bleibt der Check extrem
wichtig.“ Für Dr. J. Oprzynski ist
Plug-and-produce ein Leitbild. Auf
den Weg dahin sind noch einige
Hürden, zum Beispiel in Bezug auf
HMI und einheitliche Beschreibungssprache, zu nehmen.
Literatur
[1] Z
VEI-White Paper „Modulbasierte Produktion in der Prozessindustrie – Auswirkungen auf die Automation im Umfeld von Industrie 4.0, www.zvei.org
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