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Neue Wege GEA und Schneider Electric machen den Lackmustest für die Zukunft der Automatisierung

Von Sebastian Human

Mit dem Separator-Modul „Pathfinder“ demonstrieren der deutsche Maschinenhersteller GEA und Schneider Electric die erstaunlichen Möglichkeiten eines neuen Automatisierungsansatzes – dabei geht es auch um die Zukunft von MTP.

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GEA und Schneider Electric liefern ein Proof of Concept für herstellerunabhängige und softwarezentrierte Automatisierung.
GEA und Schneider Electric liefern ein Proof of Concept für herstellerunabhängige und softwarezentrierte Automatisierung.
(Bild: gemeinfrei / Pexels )

Was ist heute nicht alles möglich: Hohe Datenübertragungsraten und wachsende Rechenleistung haben die industriellen Werkshallen gläserner und die Anlagen intelligenter gemacht. Mit einer Kombination aus IIoT-fähigen Feldgeräten und KI-basierten Softwarelösungen können nicht nur kontextbezogene Echtzeit-Informationen über Zustand und Output von Maschinen gewonnen werden – ein besseres Verständnis von Prozessen und Workflows ermöglicht auch den Betrieb von deutlich effizienteren, resilienteren und insgesamt produktiveren Anlagen.

Doch so verheißungsvoll die Vorteile von Industrie 4.0 auch erscheinen mögen, aktuelle Studien legen nahe, dass die volle Entfaltung der theoretisch darin angelegten Potenziale in der Praxis ausgebremst wird. Hauptgrund: Proprietäre Automatisierungssysteme verkomplizieren durch ihre Beschränkung von Interoperabilität und Software-Portabilität eine vertiefte IT-OT-Vernetzung und setzen dem ingenieurstechnischen Gestaltungsspielraum enge Grenzen. In weiten Teilen erscheint die derzeitige Automatisierungslogik damit als anachronistisch, geradezu als aus der Zeit gefallen.

Gründend auf dem hohen Grad an Interpretationsfreiheit des seit Anfang der 2000er Jahre weitestgehend maßgeblichen De-facto-Standards, der Norm IEC61131, haben sich über die Jahre hinweg unzählige konkurrierende und voneinander abweichende Steuerungssysteme gebildet. Ein Zustand, der sich in puncto Vernetzung, Flexibilität und Engineering als äußerst hinderlich erwiesen hat – und nicht zuletzt in starkem Widerspruch zu den Möglichkeiten steht, die sich auf Basis von Industrie 4.0 und Moores Law längst bieten würden. Mit einem Proof of Concept machen die Business Unit Separators des deutschen Maschinen- und Anlagenbauers GEA und Tech-Konzern Schneider Electric nun vor, wie das Thema Automatisierung anders gedacht und umgesetzt werden kann. Dabei geht es um eine alternative Umsetzung von Module Type Package, kurz MTP, aber vor allem um das unternehmerische Potenzial eines herstellerunabhängigen und softwarezentrierten Automatisierungsansatzes.

Herausforderungen für die modulare Prozessautomatisierung

Early Adopter spielen für die Verbreitung von Innovationen eine entscheidende Rolle – sind sie doch die ersten, die eine neue Technologie oder ein neues Produkt ausprobieren und beurteilen. Und das kann Signalwirkung haben. Im Sinne der Diffusionstheorie lassen sich spätere Anwendergruppen insbesondere durch die Einschätzung der Erstanwender beeinflussen.

Auf dem Gebiet der industriellen Automatisierung ist der international tätige Anlagen- und Maschinenbauer GEA ein solcher Early Adopter. Vor allem die im nordrhein-westfälischen Oelde beheimatete Business Unit Separators hat in den vergangenen Jahren sogar gleich auf doppelte Weise neue Wege beschritten. Ausgangspunkt dabei waren die vornehmlich für die Pharmaindustrie bestimmten Pathfinder-Separatoren sowie der noch in der Entwicklung befindliche Modularisierungsstandard MTP.

Sinn ergibt diese Kombination vor allem deshalb, da Pathfinder-Separatoren nicht in der industriellen Großproduktion, sondern meist in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen zum Einsatz kommen. Eigenschaften wie Modularität, Flexibilität sowie schnelle und einfache Umrüstprozesse sind hier entscheidend. Separatoren könnten daher künftig als fertiges MTP-Modul, inklusive entsprechender Beschreibungsdatei, verkauft und in Sekundenschnelle in bestehende Leitsysteme eingebunden werden. In der Folge hat dieses auf die vollständige Modularisierung von Prozessanlagen abzielende Konzept nicht nur eine große Überzeugungskraft für seine Anwender – auch GEA als Anbieter solcher Lösungen kann seine Absatzmärkte erheblich erweitern. Denn MTP-Module können herstellerunabhängig in beliebige Leitsysteme eingebunden und innerhalb dieser Process-Orchestration-Layer, oder POL, beliebig mit anderen Modulen zusammenschaltet werden. Auf POL-Ebene ist dann weder ein hoher Engineering-Aufwand vonnöten noch spezifisches Entwickler-Fachwissen gefragt – zum Beispiel, wenn neue Module hinzukommen oder bestehende Prozesse umgebaut werden sollen.

Doch der prüfende Blick in entsprechende Fachausschüsse zeigt: MTP ist und bleibt ein Standard in der Entwicklung. Fertige und marktreife Lösungen sind bis dato rar gesät und die Hersteller von Prozessleitsystemen tun sich angesichts des vorläufigen Status der MTP-Entwicklung schwer damit, den komplizierten Standard in ihre Lösungen zu implementieren. „In Anbetracht der grundlegenden Schwierigkeiten, auf die wir bei der Umsetzung des MTP-Ansatzes gestoßen sind, war es naheliegend, etwas völlig Neues auszuprobieren“, erklärt Patrick Eickhoff, Head of Automation und Controls im Bereich Software für Single Machines in der GEA Business Unit Separators. „Im Austausch mit den Kollegen von Schneider Electric haben wir schnell festgestellt, wie sehr unser MTP-Projekt von einem herstellerunabhängigen Automatisierungsansatz und den Funktionalitäten eines Engineering-Tools wie EcoStruxure Automation Expert profitieren kann. Deshalb, und natürlich auch aus Neugier auf die Potenziale dieser vollkommen neuen Automatisierungslogik, haben wir uns dazu entschlossen, einen gemeinsamen Proof-of-Concept zu realisieren.“

Automatisierung mit Zukunft: MTP und Norm IEC 61499

Seit Markteinführung des Engineering-Tools EcoStruxure Automation Expert im Jahr 2020 setzt Schneider Electric auf herstellerunabhängige und softwarezentrierte Automatisierung. Damit zählt das in Deutschland mit rund 5.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern vertretene Unternehmen zu den Pionieren in diesem Bereich. Schneider Electric ist zudem Gründungsmitglied der im November 2021 neu gegründeten UniversalAutomation.Org und treibt dort gemeinsam mit anderen Herstellern, OEMs, Start-Ups und Universitäten einen auf der Norm IEC 61499 gründenden, universellen Automatisierungsansatz voran.

Dass nun gerade dieser neue Automatisierungsansatz und das MTP-Konzept so gut zusammenpassen, hat mehrere Gründe. Zum einen betrifft das die Eventsteuerung von automatisierten Anwendungen. Im Unterschied zu herkömmlichen SPS-basierten Automatisierungslogiken kommt im Sinne von IEC 61499 kein zyklisches, sondern ein eventbasiertes Ausführungsmodell zum Einsatz. Heißt: Bestimmte Funktionen, im Fall des GEA Separators etwa der Dienst „Entleeren“, bleiben so lange inaktiv, bis der entsprechende Befehl sie triggert. Das zyklische Abarbeiten von Befehlen entfällt. Dem modularen MTP-Konzept sowie einer Annäherung von Automatisierung und IT-Systemen kommt dieser Ansatz sehr entgegen.

Zum anderen sind sowohl MTP als auch das Engineering-Tool EcoStruxure Automation Expert so konzipiert, dass Hardware- und Softwareschicht getrennt voneinander betrachtet werden können. Beide Modelle sehen eine von der Hardware abstrahierte Softwareebene vor, innerhalb der nicht mehr kodiert, sondern idealerweise nur noch modelliert werden muss. Dazu werden komplexe mechatronische Abläufe in vereinfachte Softwarebausteine verpackt, die innerhalb der Software zu ganzen Systemen oder Sequenzen zusammengeschaltet werden können. Im Sinne von MTP könnte das etwa das Modul Pathfinder inklusive Beschreibungsdatei sein.

Herstellerunabhängige und softwarezentrierte Automatisierung auf Modul- und Prozessleitebene

Dank der zahlreichen konzeptionellen Schnittstellen bildet eine Softwarelösung wie EcoStruxure Automation Expert sozusagen den Missing Link für die marktreife Umsetzung von MTP. Leif Jürgensen, NextGen Automation Solution Incubator bei Schneider Electric und von Anfang maßgeblich in die Zusammenarbeit mit GEA involviert, verdeutlicht den Zusammenhang: „Da es sich bei EcoStruxure Automation Expert nicht nur um ein Engineering-Tool, sondern zugleich um eine Art virtuelle Steuerung mit eventbasiertem Ausführungsmodell handelt, ist unsere Softwarelösung ideal dazu geeignet, als übergreifendes Prozessleitsystem für MTP-Module zu fungieren.“ Dazu wird EcoStruxure Automation Expert einfach auf dem gleichen Server wie ein vorhandenes SCADA oder MES-System installiert und die MTP-Module können in Form von vorgefertigten Softwarebausteinen zur gewünschten Anwendung oder Sequenz kombiniert werden – das gilt auch für Fremd-Module von anderen Herstellern. Je nach vorhandenen Bibliotheken braucht es hierzu kein spezielles Entwicklungs-Know-how. Da innerhalb der zentralen Softwareschicht des EcoStruxure Automation Expert zudem sämtliche Komponenten einer Anlage herstellerübergreifend vernetzt und alle Betriebsdaten an einem Ort zusammengefasst werden können, bietet sich damit ein idealer Zugriffspunkt für übergeordnete und möglicherweise schon vorhandene Überwachungs- und Analysesysteme.

Im Zuge des Proof of Concept von GEA und Schneider Electric kam EcoStruxure Automation Expert nicht nur auf der Prozessleitebene zum Einsatz. Auch auf der Modulebene selbst wurde hardwareunabhängig und softwarebasiert automatisiert. „Unseren Separator nicht nach SPS-Logiken, sondern wirklich hardwareunabhängig zu automatisieren, hat eine gewisse Lernkurve erfordert.“, berichtet Patrick Eickhoff, der bereits seit 20 Jahren im Bereich der industriellen Automatisierung tätig ist. „Unsere Werkstudierenden haben sich dabei allerdings wesentlich leichter getan. Für sie war es absolut einleuchtend, nach IT-Logiken und unabhängig von der zugrundeliegenden Hardware zu automatisieren.“

So ist es mit einem herstellerunabhängigen und softwarebasierten Automatisierungsansatz zum Beispiel möglich, automatisierte Anwendungen rein softwareseitig zu modellieren, noch bevor ein einziges Stück Hardware verbaut wurde. Die einmal modellierten Programmstrukturen lassen sich später frei und unabhängig auf jedes beliebige Bauteil mit CPU aufspielen und sogar die Querkommunikation zwischen den mechatronischen Komponenten wird selbstständig durch die Software konfiguriert. Außerdem ist es möglich, erstellte und für gut befundene Softwareapplikationen auf andere Hardwaregegebenheiten zu übertragen. Diese Copy & Paste Portierbarkeit von Software erleichtert die Programmierung weiterer Separatoren erheblich und kann die Time-to-Market – gerade von Sonderentwicklungen – auf ein Minimum verkürzen.

Lackmustest mit Signalwirkung

Für die GEA Business Unit Separators, aber auch für Schneider Electric stellt das in Oelde durchgeführte Proof of Concept einen wichtigen Meilenstein für den Paradigmenwechsel in der Automatisierungswelt dar. „Der IEC 61499-Standard ist ja nicht neu“, betont Leif Jürgensen unter Verweis auf die bereits 2005 definierte Norm. „Aber: In der Vergangenheit sind die wenigen Versuche, diese Norm auch außerhalb akademischer Kreise zu etablieren in erster Linie an fehlender Rechenleistung und mangelnder Bandbreite im Feld gescheitert. Das sieht heute ganz anders aus. Das gemeinsam mit der GEA Business Unit Separators durchgeführte Projekt ist für uns auch deshalb so wichtig, weil es unsere Überzeugung bestätigt, dass herstellerunabhängige und softwarezentrierte Automatisierung mittlerweile eine völlig andere Marktakzeptanz erfährt als noch vor wenigen Jahren. Das Potenzial für Endkunden und OEMs ist riesig.“ Wie sich am Beispiel des von GEA automatisierten Separators zeigt, geht es dabei nicht nur um einen Impuls für das gerade in der Prozessindustrie so relevante MTP-Konzept.

„Es war faszinierend zu sehen, welche unternehmerischen und ingenieurstechnischen Möglichkeiten sich ergeben, wenn man den neuen Automatisierungsansatz konsequent zu Ende denkt und technisch umsetzt“, resümiert Patrick Eickhoff die Zusammenarbeit mit Schneider Electric. Anhand eines im Projektverlauf durchgeführten technischen Experiments lässt sich das verdeutlichen: Probeweise wurde die im EcoStruxure Automation Expert erstellte Software nicht auf die für gewöhnlich im Separator eingesetzte SPS-Steuerung, sondern auf einen ebenfalls im Schaltschrank verbauten Industrie-PC aufgespielt. Und das mit frappierendem Ergebnis: Um die tadellose Funktionsweise des Separators zu gewährleisten, war es absolut unerheblich, auf welcher CPU die Software installiert wurde – ob SPS, IPC oder Frequenzumrichter: völlig egal. Gerade mit Hinblick auf größere Anlagen eine Erkenntnis, die aufhorchen lässt.

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