Mithilfe des Dima-Ansatzes lassen sich flexible Anlagen aufsetzen und Produktzyklen verkürzen.

Mithilfe des Dima-Ansatzes lassen sich flexible Anlagen aufsetzen und Produktzyklen verkürzen. mmmx/Fotolia.com

Schwankende Beschaffungs- und Absatzmärkte, die flexible Verlagerung von Produktionsstandorten sowie der steigende Bedarf eines individuellen Produktportfolios führen in der Prozessindustrie zu immer kürzeren Produkt- und Innovationszyklen. Doch individuelle Produkte lassen sich nicht so einfach planen und herstellen wie Massenprodukte. War in der Prozessindustrie früher eine hohe Verfügbarkeit der Produktionsanlagen gefragt, wird heute die Flexibilität der Produktion zum immer entscheidenderen Kriterium. Konventionell aufgebaute prozesstechnische Anlagen in den Bereichen Chemie, Nahrungsmittel, Kosmetik und Pharma sind jedoch meist nicht ausreichend flexibel und können die Einführung neuer Produkte und veränderte Produktionsmengen nicht effizient bewältigen.

Dima – die Zielsetzungen

Das Automatisierungsunternehmen Wago hat deshalb das Projekt ‚Dima – Dezentrale Intelligenz für modulare Anlagen‘ ins Leben gerufen. „Unser Ziel ist es, die Zeit zwischen Produktfreigabe und Marktverfügbarkeit erheblich zu verkürzen. Wir gehen heute davon aus, dass sich 60 % der Entwicklungszeit einer verfahrenstechnischen Anlage einsparen lassen“, erklärt Ulrich Hempen, Leiter Market Management Industrie und Prozess bei Wago. Möglich sei dies nur, wenn die Anlagen modular aufgebaut sind und Industrieunternehmen die Möglichkeit haben, flexibel zu agieren und reagieren.

Erstmals vorgestellt wurde Dima auf der Hauptversammlung des Verbands Namur (Anwender von Automatisierungstechnik der Prozessindustrie). Das Dima-Konzept baut auf den Standardisierungsarbeiten des Namur-Arbeitskreises 1.12 auf. Inzwischen haben die Gremien der Namur und des ZVEI den Dima-Ansatz übernommen, um diesen weiter zu spezifizieren und langfristig einen internationalen Standard zu entwickeln. Mehr als 20 Unternehmen bringen sich mittlerweile als Partner in das Projekt ein – darunter Copa-Data mit dem Prozessleitsystem Zenon. Auf Herstellerseite beteiligen sich Emerson, Yokogawa und Endress+Hauser. BASF, Bayer und Sanofi Aventis unterstützen das Projekt auf Anwenderseite. Als Hochschulpartner wirken die Universität Dresden, die Helmut-Schmidt-Universität Hamburg und die RWTH Aachen mit. Die Spezifikationsarbeiten des Projekts sollen noch in diesem Jahr abgeschlossen werden. Erste Applikationen auf Basis dieser Spezifikationen werden für 2016/2017 erwartet.

SOA für Prozesse

Bei dem Dima-Konzept wird jedes Modul mit einer eigenen Steuerung ausgestattet, die dazu dient, die Dienste auszuführen und den Modulstatus ständig zu überwachen.

Bei dem Dima-Konzept wird jedes Modul mit einer eigenen Steuerung ausgestattet, die dazu dient, die Dienste auszuführen und den Modulstatus ständig zu überwachen. Copa-Data

Klassische verfahrenstechnische Anlagen werden von einem Prozessleitsystem gesteuert, das Prozedursteuerung, Human Machine Interface und Engineering umfasst. Teilmodularisierte, verfahrenstechnische Anlagen bestehen dagegen heute häufig aus einer zentralen Kommunikations- und Automatisierungsarchitektur (zentrale Intelligenz) sowie verfahrenstechnischen Modulen wie Zentrifugen, Rührwerken, Abfüllanlagen, Temperierern oder Fermentern. Die Idee des Dima-Konzepts ist es, eine Gesamtanlage aus mehreren autarken Anlagenmodulen zusammenzusetzen. Vorbild für die modulare, dezentrale Automatisierung ist dabei die IT-Welt. So ermöglicht es eine serviceorientierte Architektur (SOA), verschiedene Lösungskomponenten relativ einfach in ein bestehendes System zu integrieren. Ebenso einfach lassen sich Anlagenmodule mittels Dima in die Anlagenarchitektur integrieren und in Betrieb nehmen. Ein Anlagenmodul bildet jeweils einen oder mehrere standardisierte Prozessschritte ab, führt Prozeduren, Operationen oder Funktionen aus und leistet somit einen Dienst. Der Modulhersteller definiert die Aufgabe eines solchen Dienstes: ob er beispielsweise ein Zwischenprodukt in einem komplexen Modul erstellt oder ob ein Dienst Ventile und Pumpen schaltet.

Ein Modul stellt dem übergeordneten Prozessleitsystem seine verfahrenstechnische Funktion als Dienst zur Verfügung (Serviceanbieter). Das Prozessleitsystem kann die vom Modul angebotene Dienstleistung dann abrufen (Servicenutzer). Innerhalb des Konzepts verfügen die Module über eine eigene Intelligenz: Dazu wird jedes Modul mit einer eigenen Steuerung ausgestattet, die die Dienste ausführt und den Modulstatus ständig überwacht.

Das Engineering der gesamten Anlage basiert auf zwei voneinander losgelösten Prozessen: Zunächst projektiert der Modullieferant das Modul (Modul-Engineering) und liefert eine Beschreibung davon. Anschließend nutzt der Anlagenbetreiber diese Beschreibung im Integrations-Engineering und projektiert die Gesamtanlage. Möchten Unternehmen ein Produktionsverfahren ändern, brauchen sie lediglich ein oder mehrere Module auszutauschen. Durch ein Numbering-up – das Hinzufügen gleichartiger Module – lässt sich die Produktionsmenge erhöhen. Modularisierte Anlagen haben den Vorteil, dass sie einen geringeren Engineering-Aufwand erfordern: Hersteller können modulare Anlagen effizienter planen und bauen, da ein Großteil des Engineerings bereits im Modul-Engineering stattfindet. Die Module müssen dann nur noch in das Prozessleitsystem integriert werden.

Modell und Strukturaufbau

Um die Dima-Methodik technisch umzusetzen, ist eine neue Definition für die Beschreibung von verfahrenstechnischen Anlagenmodulen erforderlich. Innerhalb des Konzepts trennt eine neutrale Schnittstelle die Leitebene von der Modulebene: Herzstück ist das sogenannte ‚Module Type Package‘ (MTP) als elektronisches Beschreibungsmodell für sämtliche Eigenschaften eines Moduls. In diesem MTP sind folgende Informationen hinterlegt: Kommunikationsparameter, damit das Modul einfach in die Anlage eingebunden werden kann; die Dienste, das heißt die Beschreibung dessen, was das Modul verfahrenstechnisch leisten kann sowie die Informationen zum Bedienen und Beobachten (grafische Informationen). Hinzu kommen weitere Beschreibungen wie Status-, Diagnose-, Historien- und Archivierungsinformationen. MTP ist dabei kein standardisierter Dienstekatalog; stattdessen legt der jeweilige Hersteller die Moduleigenschaften fest. Sowohl Modulhersteller als auch Anlagenbetreiber behalten mithilfe der Schnittstelle ihr jeweiliges Know-how für sich.

Um den gesamten Engineering- oder Re-Engineering-Prozess effizient zu gestalten, entwickelten Wago und Copa-Data ein MTP-Handling- und Managementsystem. Damit lesen Unternehmen die MTPs ein und verfolgen, welche Artefakte im Prozessleitsystem Zenon durch welches MTP erzeugt wurden. So können Anwender die im Prozess erforderlichen Module im laufenden Betrieb anbinden. Mit Zenon lassen sich zudem kundenindividuelle Dienste und Bedienbilder auswählen und exportieren und außerdem Konzepte zur Wiederverwendung aufsetzen.

Einheitliche Visualisierung

Visualisierung im Prozessleitsystem Zenon.

Visualisierung im Prozessleitsystem Zenon. Copa-Data

Wird eine Anlage aus dezentralen Modulen unterschiedlicher Hersteller aufgebaut, bringen die Module eine jeweils eigene Visualisierung mit. Der Anlagenbetreiber möchte allerdings keine kunterbunte Darstellung in der Leitebene, sondern ein einheitliches Look-and-feel der Module. Dima löst das mittels einer Datenbank, auf die während des Anlagenengineerings referenziert wird: So erhalten die MTPs keine grafischen Daten, sondern lediglich die Information, dass etwas dargestellt werden muss – beispielsweise die Temperatur. Mithilfe des Prozessleitsystems Zenon lässt sich ein solcher über mehrere Module verteilter Prozess bedienen und beobachten. Herausforderungen sind hierbei die automatische Bedienbilderstellung sowie das einheitliche Look-and-feel der modularen Anlage. Da der Modulhersteller für Planung, Aufbau und Programmierung des Moduls verantwortlich ist, erstellt er ebenfalls das Bedienbild des Moduls. Kenntnis über die Bedienbildbibliothek des übergeordneten Systems hat er zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht. Dennoch muss sichergestellt sein, dass eine Funktion (eben zum Beispiel die Darstellung der Temperatur) im Leitsystem immer identisch dargestellt wird. Zur Übersetzung der modulspezifischen Bedienbilder in solche mit projekteinheitlichem Look-and-feel müssen die Bedienbilder deshalb in einer darstellungsunabhängigen Beschreibungsform vorliegen. Diese Beschreibung enthält die Information zur Bedeutung des Bedienbildelementes sowie zu dessen Lage und Größe. Die Information ist durch einen Algorithmus zugänglich, der die projektabhängigen Bedienbildelemente in gewünschter Darstellung und Lage auf das Bedienbild des Zielsystems setzt und mit den entsprechenden Variablen für die Kommunikation mit der Modul-SPS verknüpft. Die Nutzung dieses rollenbasierenden Bibliothekskonzepts bedingt, dass die Bibliothek sowohl im Engineering-Tool des Modulherstellers als auch im Zielsystem vorliegt. Namur und ZVEI erarbeiten derzeit eine entsprechende Bibliothek.

Zusammenspiel der Dienste

Um die einzelnen Schritte der Produktionsprozesse abwickeln zu können, müssen die Dienste der Module geordnet werden. Bei einem kontinuierlich betriebenen Reaktionsprozess muss beispielsweise das Anfahren des Reaktors zum Vorlegen der Ausgangsprodukte stimmig sein. Damit Unternehmen die Dienste modulübergreifend aufeinander abstimmen können, ist die Kenntnis der aktuellen Zustände wie ‚Run‘, ‚Stopp‘ oder ‚Fehler‘ und entsprechender Zustandsübergänge notwendig. Die dezentrale Intelligenz eines jeden Moduls ermittelt diese Information und übermittelt sie über eine Kommunikationsschnittstelle. Um die Dienste der angeschlossenen Module in die wunschgemäße Anhängigkeit und Reihenfolge zu bringen, sieht Dima die Nutzung von Batch-Werkzeug-Funktionen (Zenon Batch) vor. Das Funktionsspektrum einer Produktionsanlage wird dann im Batch-Werkzeug mithilfe mehrerer Modelle visualisiert. Das Modul kommuniziert direkt mit dem Batch-Werkzeug und erhält von dort den Befehl zum Ausführen eines Dienstes. Hat das Modul die Ausführung des Dienstes korrekt abgeschlossen, meldet es dies als Status.

Erste prototypische Dima-Anlage

Dima-Prototyp mit vier Modulen: Jedes Modul bildet einen typischen verfahrenstechnischen Prozessschritt ab; Mischen, Destillieren, Filtern und Abfüllen.

Dima-Prototyp mit vier Modulen: Jedes Modul bildet einen typischen verfahrenstechnischen Prozessschritt ab; Mischen, Destillieren, Filtern und Abfüllen. Wago

Auf der SPS IPC Drives 2015 präsentierte Wago erstmals eine prototypische Dima-Anlage, die die Anforderungen der Namur-Empfehlung NE 148 (Anforderungen an die Automatisierungstechnik durch die Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen) und vergleichbarer Normen erfüllt. Diese Anlage besteht aus vier Modulen. Jedes Modul bildet dabei einen typischen verfahrenstechnischen Prozessschritt ab: Mischen, Destillieren, Filtern und Abfüllen. Im Prozess werden zwei Edukte in der Mischstation vermengt, ihr Produkt danach durch Destillieren getrennt und das Destillat anschließend bei Auftreten von Ausflockungen gefiltert und abschließend in handliche Gefäße abgefüllt. Alle vier Module sind mit der Steuerung PFC200 ausgestattet, verfügen jeweils über ein MTP und sind sternförmig an ein Backbone angeschlossen. Dieses versorgt die Module mit elektrischer Energie und Druckluft zum Schalten der Aktoren. Im Integrations-Engineering wird das MTP in das Prozessleitsystem Zenon eingelesen. Letzteres nutzt hierfür einen Wizard, der alle eingelesenen MTPs anzeigt und diese auch wieder löschen kann. Daraufhin erfolgt das automatische Erzeugen der Bedienbilder. Der Produktionsprozess wird als Rezept dargestellt, wobei die einzelnen Rezeptschritte Möglichkeiten zur Parametrierung enthalten.