Package Units für die Prozessindustrie

Der Lebenszyklus einer Anlage in der Prozessindustrie ist relativ lang. Eine typische Produktionsanlage in der chemischen Industrie ist häufig so ausgelegt, dass sie über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten praktisch unverändert arbeitet. Trotz regelmäßiger Wartungsarbeiten und dem eventuell notwendigen Austausch einzelner Komponenten bleibt die Grundstruktur der Anlage über den Lebenszyklus häufig unverändert bestehen. Die Anlagen weisen einen hohen Automatisierungsgrad auf. Eine kleine Bedienmannschaft reicht oft aus, um große Anlagen sicher zu bedienen. Der typische Aufbau eines Automatisierungssystems ist dabei die klassische Leitsystemarchitektur. Sensoren für chemische und physikalische Prozessparameter sowie für die Zustände der Anlagenkomponenten übertragen ihre Werte an die Leitwarte. Dort verarbeiten zentrale Rechner die Daten und steuern die Aktoren, wie Pumpen, Rührwerke und Heizungen. Die gesamte \’Intelligenz\‘ der Mess-, Steuer- und Regeltechnik befindet sich im zentralen Leitsystem. Der Nachteil dieser Architektur ist der hohe Aufwand für die Verdrahtung. Bei großen Anlagen können mehrere Tausend Sensoren und Aktoren notwendig sein, die alle zu einer zentralen Stelle verdrahtet werden müssen. Die Leitsystemarchitektur ist außerdem relativ unflexibel, wenn Änderungen oder Erweiterungen der Anlage anstehen, da stets auch die MSR-Technik des zentralen Systems angepasst werden muss. Ein weiterer Nachteil ist der unterschiedlich lange Lebenszyklus von automatisierungstechnischen Systemen und prozesstechnischen Anlagen. Das Konzept der zentralen Leitsysteme hat aber auch Vorteile. So kann die Sicherheit, die insbesondere in der chemischen Industrie wichtig ist, ideal gewährleistet werden. Auch die Anlagenverfügbarkeit – ebenfalls eine zentrale Forderung in der Prozessindustrie – ist so sehr hoch. F3-Projekt: Flexible, Fast and Future Factory Seit einiger Zeit gibt es in der Prozessindustrie Bestrebungen, Anlagen modular aufzubauen. Unter der Bezeichnung F3 hat sich 2009 ein Konsortium gegründet, das aus Unternehmen der chemischen Industrie und Forschungsinstituten in verschiedenen Ländern Europas besteht. Ziel des F3-Projekts (Flexible, Fast and Future Factory) ist die Entwicklung von Konzepten für modulare Produktionsanlagen in der Prozessindustrie. Die Idee hinter dem Projekt ist der Aufbau chemischer Produktionsanlagen nach dem Baukastenprinzip. Einzelne Module – auch Package Units genannt – sollen nach dem Plug-and-play-Prinzip einfach miteinander kombiniert werden können. So lassen sich einzelne Anlagenteile einfacher austauschen, wenn z.B. die Automatisierungstechnik veraltet ist oder die Feldgeräte das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Auch die Wartung der einzelnen Package Units kann so entkoppelt vom Rest der Anlage erfolgen. Der Anlagenbauer wird also in Zukunft eine Anlage nicht mehr komplett bauen, sondern einzelne spezialisierte Zulieferer werden verschiedene Package Units, z.B. Mischer oder Fermenter, liefern, die dann zu einer Gesamtanlage kombiniert werden. Zu einer Package Unit gehört aber nicht nur die mechanische Einheit an sich, sondern zusätzlich die elektrische Installation, die Sensorik sowie die Automatisierungs- und Steuerungstechnik. Eine wichtige Voraussetzung dafür, dass ein solches Konzept funktioniert, ist die genaue Definition der Schnittstellen. Neben den sowieso standardisierten mechanischen und elektrischen Schnittstellen sind hier insbesondere die Schnittstellen der Automatisierungstechnik von großer Bedeutung. Auch in dem neuen Konzept wird weiterhin eine zentrale Leitwarte der Punkt sein, von dem aus das Personal eine Anlage bedient und überwacht. Ein großer Teil der Intelligenz wandert aber in die Package Units. Die zentrale Automatisierungstechnik wird durch dieses Konzept entlastet, da die Package Units große Teile der MSR-Aufgaben direkt erledigen. Ein weiterer Vorteil der dezentralen Automatisierungsarchitektur ist der geringere Aufwand für die Verdrahtung der Sensoren und Aktoren. Die Kommunikation zwischen der zentralen Steuerung verläuft dann über Bussysteme, z.B. Profibus DP oder ProfiNet. Automatisierungstechnik für Package Units Da die Automatisierungshardware näher an den Prozess heranrückt, ergeben sich neue Anforderungen für die einzelnen Komponenten. So müssen die Steuerungen etwa die raueren Umgebungsbedingungen, die in der Nähe des Prozesses herrschen können, tolerieren. Diese reichen von größeren Temperaturschwankungen über Belastungen durch Feuchtigkeit und Staub bis hin zu Schocks und Vibrationen. Eine weitere Anforderung ist die problemlose Verarbeitung der auftretenden Signale und die Möglichkeiten, über die verschiedenen Bussysteme zu kommunizieren. Mit dem Wago-I/O-System und den zugehörigen Steuerungen können Hersteller von Package Units praktisch alle Sensoren und Aktoren problemlos anbinden. Das Spektrum reicht von analogen und digitalen Ein- und Ausgängen bis hin zur Anbindung praktisch aller gängigen Feldbussysteme. Standardmäßig ist der Einsatz des I/O-Systems in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 2 möglich. Spezielle eigensichere digitale und analoge Busmodule ermöglichen auch den Anschluss der Peripherie in den Zonen 0 und 1. Die Automatisierungsfunktionen lassen sich mit den Ethernet-Controllern oder IPCs des Systems einfach realisieren. Fazit In der Prozessindustrie liegt die Zukunft im Bereich der modularen Anlagen. Sogenannte Package Units bestehen nicht nur aus mechanischen und elektrischen Komponenten, sondern enthalten gleichzeitig die Automatisierungstechnik. Für die Architektur der Automatisierungssysteme bringt dies eine wesentliche Veränderung mit sich. Ein großer Teil der Intelligenz wandert vom zentralen Leitsystem in die Package Units. Für Hersteller von Package Units, Anlagenbauer und -betreiber sowie für die Lieferanten der Automatisierungstechnik ergeben sich dadurch neue Chancen.