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Standardisierung und Digitalisierung bei der Inbetriebnahme
Bisher haben die Hersteller einer Produktionsstätte verschiedene Ebenen für den Kunden auf- und vorbereitet, um dessen Vorgaben umsetzen zu können. Diese Ebenen sind der eigentliche Produktionsprozess, die Mechanik und die Elektrik. Die Automation verknüpft die genannten Ebenen miteinander. Für die Ebenen werden voneinander unabhängig Planungen erstellt. Das bedeutet aber, dass bei Bedarf die gewünschten Daten und Informationen, beispielsweise die des Läuterprozesses, aus vielen Quellen zusammengetragen oder im Prozessleitsystem „ermittelt“ werden müssen. Diese Vorgehensweise ist jedoch nicht effektiv.
Manuelle Programmiereingriffe
Auch sind der Engineering-Prozess und die Inbetriebnahme einer Produktionsstätte mit manuellen Programmiereingriffen behaftet. Diese sind der Inkompatibilität verschiedener Systeme geschuldet, deren Ursache in schlecht definierten Schnittstellen unterschiedlicher Gewerke liegen.
MTP bildet Prozessschritte exakt ab
Genau an dieser Stelle setzt das Prinzip der „Module Type Packages“ (MTP) an. MTP ist keine neue Erfindung. Es wird seit Jahren erfolgreich unter anderem in der Chemie- und Pharmaindustrie angewendet. Neu ist allerdings, dass Ziemann Holvrieka dieses überaus nützliche Werkzeug der internationalen Brau- und Getränkeindustrie als „open source“ zugänglich macht.
Die Idee hinter einem MTP ist so einfach wie wirkungsvoll. Es werden dem Leitsystem integrierbare Module bereitgestellt, die einen Prozessschritt umfassend abbilden. Auf der Baustelle wird also nicht mehr aktiv programmiert, sondern es werden nur noch Daten eingespielt. Das MTP enthält dazu in einem standardisierten Format alle notwendigen Informationen für den jeweiligen Verfahrensschritt.
Dazu zählen zum Beispiel die Kommunikation, die Dienste als verfahrenstechnische Funktionen, eine Beschreibung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und Wartungsinformationen. Ein MTP fasst somit für jeden Prozessschritt alle relevanten Daten aus Prozess, Mechanik, Elektrik, Automation sowie Wartung zusammen und verknüpft sie miteinander – und zwar bis zur Feldkomponente (Ventil, Pumpe, Sensor, etc.).
Der Brauprozess in Modulen abgebildet
Für eine Brauerei wären das beispielsweise die Module Maischen, Läutern oder Filtrieren. Insgesamt lässt sich der gesamte Brauprozess mit etwa 25 MTPs abbilden. Auf diesem Weg kann eine Brauerei projektiert werden, welche durchgängig aus MTP-fähigen Modulen (Anlagenteilen) aufgebaut und ebenso erweiterbar ist. Somit spricht jede gewählte Steuerung, die ein MTP unterstützt, die gleiche Sprache. Dies führt zu leichteren, sichereren und geringeren Integrationsaufwänden auf der Baustelle.
Das MTP fungiert hierbei in etwa wie ein Druckertreiber, der den Computer mit dem Drucker vollautomatisch verbindet. So lassen sich die MTP-Daten ganz einfach in ein übergelagertes Leitsystem einspielen, von dem sie direkt genutzt und visualisiert werden. Auf der Baustelle ungeplant auftretende und dort zu lösende Herausforderungen gehören damit der Vergangenheit an. Für den Bau einer neuen Produktionsanlage bedeutet MTP somit „plug and produce.“
Einfache Inbetriebnahme
Die Inbetriebnahme lässt sich am vorher genannten Läuterprozess beispielhaft aufzeigen. Bisher wurden zuerst alle notwendigen Komponenten wie der Läuterbottich oder die Pumpen auf der Baustelle mechanisch installiert und verkabelt. Es folgte die Automatisierung, bei der einerseits die Schnittstellen zu den vor- und nachgelagerten Komponenten geklärt und andererseits alle Aktoren, Sensoren sowie die eigentlichen Verfahrensschritte individuell in die Prozesssteuerung eingebunden wurden.
Dieser manuelle Ansatz führte dazu, dass die fertige Prozesssteuerung zum Teil der Handschrift eines Programmierers eindeutig zugeordnet werden konnte und dass dieser das Rad auf der Baustelle immer aufs Neue erfinden musste.
Die manuellen Eingriffe auf der Baustelle entfallen
Beim MTP-Ansatz dagegen werden alle relevanten Informationen des Läuterprozesses bereits im Vorfeld bereichsübergreifend in Datenbanken gesammelt. Diese beinhalten aktuell das gesamte Wissen aus mehr als 50 Jahren Brauerei-Engineering und -automation. Daraus erzeugt ein Algorithmus das auf die individuellen Rahmenbedingungen abgestimmte MTP für den Läuterprozess.
Auf der Baustelle selbst werden diese Daten nur noch in das Prozessleitsystem eingespielt. Dieses visualisiert anschließend automatisch den Läuterprozess, verknüpft die gesamte Aktorik und Sensorik und implementiert die Sequenzen. Auf der Baustelle selbst wird also nicht mehr manuell programmiert.
Das MTP ermöglicht somit eine hohe Standardisierung in der Prozessbeschreibung sowie der Automatisierung – dadurch reduzieren sich manuelle Eingriffe sowohl im Engineering als auch in der Inbetriebnahme erheblich. Das bedeutet neben einer deutlichen Zeitersparnis auch ein reduziertes Fehlerpotenzial. Konkret sinkt der Aufwand für die Inbetriebnahme auf diese Weise um mindestens 50 Prozent. Der Kunde verfügt durch die MTPs über alle notwendigen Daten und Informationen, um einzelne Prozessmodule jederzeit ändern oder ergänzen zu können. Und das bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Projektierung.
Der Digitale Zwilling ist eine cloudbasierte Datenplattform, in der alle Daten der MTPs hinterlegt und abrufbar sind. Zudem verfügt der Zwilling über Visualisierungs-Tools sowie Simulations- und AnalysealgorithmenDigitaler Zwilling
Ziemann Holvrieka geht aber noch einen Schritt weiter und haucht den Daten der MTPs mittels eines Digitalen Zwillings virtuelles Leben ein. Dieser Zwilling ist vom Prinzip her eine cloud-basierte Datenplattform, auf die der Kunde zum Beispiel mit einem handelsüblichen Tablet zugreifen kann. In der Cloud sind alle Daten der MTPs hinterlegt und abrufbar. Zudem verfügt der Zwilling über Visualisierungs-Tools sowie Simulations- und Analysealgorithmen.
Für den Kunden bietet der Digitale Zwilling zahlreiche Vorteile. So ist unter anderem bereits zu einem sehr frühen Projektierungszeitpunkt eine virtuelle Tour durch die künftige Braustätte möglich. Der Kunde sieht vor der Inbetriebnahme, was er tatsächlich bekommt. Nach der Inbetriebnahme können Sensoren zudem Echtzeitdaten wie Verbräuche, Temperaturen oder Ausbeute in die Cloud einspeisen.
Mittels moderner Analyse-Werkzeuge und Algorithmen simuliert der Digitale Zwilling aus diesen Daten komplexe „Was-wäre-wenn“-Szenarien, um die besten Betriebsbedingungen zu ermitteln. Außerdem erlauben die aufgezeigten Trends eine proaktive Wartung. So wird beispielsweise ein einlaufendes Lager einer Pumpe durch einen stetig steigenden Stromverbrauch frühzeitig erkannt. Die wichtigsten Kundenvorzüge der Kombination MTP und Digitaler Zwilling sind im Folgenden zusammengefasst:
- Kürzere Implementierungszeit – Plug and produce;
- virtuelle Tour möglich;
- aussagekräftige Prozesssimulationen (z. B. schwankende Malzqualitäten, Erkennen von Einsparpotenzialen);
- effizientere Wartungsarbeit;
- höhere Verfügbarkeit durch proaktive Wartung;
- reduzierte Betriebskosten (OPEX) aufgrund geringerer Ausfälle;
- modulare Ergänzungen jederzeit möglich.
Weltweit im Einsatz
Um den Datenaustausch möglichst sicher zu gestalten, setzt Ziemann Holvrieka für Brauereiprojekte auf die so genannten Weihenstephaner Standards. Diese definieren eine Kommunikationsschnittstelle zur standardisierten Übertragung von Maschinen- und Prozessdaten in übergeordnete IT-Systeme.
Über ein spezielles Modul lassen sich die Daten der Cloud zudem in jede kundenspezifische IT-Lösung exportieren und dort verarbeiten. Das erste Großprojekt ist bereits in seiner erfolgreichen Abwicklung.
Dieser Beitrag beruht auf einem Artikel, der erstmals in BRAUWELT, Nr. 17, 2023, erschienen ist.
