Modulare Anlagen Warum Industrie 4.0 und Modularisierung Chancen für die Wasserwirtschaft bieten

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Eckhard Roos* / Jörg Kempf

Welche Voraussetzungen müssen Anlagenbauer und Hersteller von Automatisierungstechnik erfüllen, wenn sie den Anforderungen an volatile Märkte, ein verkürztes Time-To-Market oder die schnelle Anpassung an Produktionskapazitäten erfüllen wollen? Antworten darauf geben modulare Anlagen, für die nun ein entsprechendes Automatisierungskonzept zusammen mit einem global agierenden OEM im Bereich der Wasseraufbereitung erarbeitet wurde.

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Auch für die Wasserwirtschaft bieten Digitalisierung und Industrie 4.0 spannende Möglichkeiten.
Auch für die Wasserwirtschaft bieten Digitalisierung und Industrie 4.0 spannende Möglichkeiten.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay / CC0 )

Der Wandel der Produktionswelt, der derzeit intensiv unter dem Stichwort Industrie 4.0 diskutiert wird, ist schon heute in unserem täglichen Leben deutlich spürbar. Individualisierte Produkte im Konsumgüterbereich sind nichts außergewöhnliches und zeigen, dass die Vernetzung der Produktion über entsprechende Logistikketten bis zum Endverbraucher möglich ist. Oftmals wird in Bezug auf individualisierte Produkte von der Losgröße 1 als Anforderung an zukünftige Produktionen gesprochen.

Sind jedoch Prozesse und Informationsstrukturen aus dem Industrie 4.0 der Fertigungsindustrie auch relevant für die Wasserwirtschaft? Im Gegensatz zum Charakter einer diskreten Fertigung und deren Anforderungen an Flexibilität sind in der Wasserwirtschaft stärker kontinuierliche Prozesse zu realisieren.

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Handlungsfelder für die Wasserwirtschaft

Im Wesentlichen lassen sich drei Handlungsfelder von Industrie 4.0 in der Wasserwirtschaft identifizieren.

  • Die horizontale Integration von Wertschöpfungsnetzwerken mit den Themen: Aufbau von Kooperationen und Nutzung neuer Geschäftsmodelle; Verfügbarkeit von Informationen über Wertschöpfungsnetzwerke hinweg; sowie Life Cycle Cost-Orientierung und Service-Modelle.
  • Die vertikale Integration und vernetzte Produktionssysteme mit den Themen: Vernetzung von Modulen, Maschinen und Logistik; agile und vielfältige IT-Systemlandschaft.
  • Durchgängiges Engineering in der Wertschöpfungskette mit den Themen: Nutzen von Engineering-Ergebnissen anderer Beteiligter; Upgrade-Fähigkeit von Systemen über den Lebenszyklus; sowie mehr Interoperabilität/Austauschbarkeit von realen und digitalen Komponenten.

Verschiedene Anwendungen zeigen, dass vertikale Integration und Vernetzung über Wertschöpfungsketten bereits in der Vergangenheit realisiert wurden. Ein Vergleich der heute verfügbaren Funktionalitäten und des Komforts im industriellen versus Konsumgüterbereich verdeutlicht aber, dass in den industriellen Anwendungen noch ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung vorhanden ist.

Diese Verbesserungen werden evolutionär erschlossen werden, da in Industrien zusätzliche Anforderungen der Anwender zu berücksichtigen sind, z.B. Investitionsschutz bei Neuanlagen, Aspekte der Safety und der Security. Anlagensicherheit und Schutz vor unbefugtem Eindringen in Automatisierungssysteme müssen gegeben sein, um eine Akzeptanz von Betreibern für neue Technologien zu erreichen.

Zukünftige Bedeutung für die Wasserwirtschaft

Die Märkte der Wasseraufbereitung sind zunehmend volatil. Gleichzeitig wird ein immer kürzeres Time-to-Market gefordert, und ein weiterer Trend geht klar in Richtung Standardisierung und Anpassung von Produktionskapazitäten durch Modularisierung von Anlagen. Speziell aus der Anforderung der verkürzten Zeit bis zur Markteinführung neuer Produkte und Anlagen folgt, dass in der Phase des Basic- und Detailengineering von Produktionsanlagen wesentliche zeitliche Einsparpotenziale gehoben und durch Standardisierung und teilgeprüfte/validierte Lösungen weiterhin in der Inbetriebsetzung dieser Produktionsanlagen weitere Einsparungen realisiert werden müssen.

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Im Bereich der Wasseraufbereitung wird zunehmend gefordert, die Kapazität und auch die Art der Module einfach an kundenspezifische Anforderungen anpassen zu können. Durch Industrie 4.0 zeichnet sich ein Paradigmenwechsel in der Produktionstechnik ab. Die Merkmale einer bedarfsorientierten und flexiblen Anlage, die auf wechselnde Anforderungen entsprechend reagieren kann, stellen sich dabei wie folgt dar:

  • einfache Anpassung der Produktionslinie an Marktanforderungen,
  • kundenspezifische Produktionen,
  • automatisierte Inbetriebnahme,
  • einfache Kapazitätsanpassung durch Vergrößern oder Verkleinern der Anlage.

Anforderungen an die Hersteller

Der Bau modularer Anlagen scheiterte in der Vergangenheit u.a. auch daran, dass die Automatisierungstechnik Forderungen in Bezug auf Integrationsfähigkeit, Durchgängigkeit und auch Sicherheit nicht befriedigen konnte. In der Zwischenzeit wurden entwicklungstechnisch wesentliche Erweiterungen und auch Standards erarbeitet, z.B. das FDI-Konzept oder OPC UA, die bei der Umsetzung modularer Konzepte Anwendung finden.

Der Grundgedanke des modularen Anlagenbaus ist, den Aufwand für die Integration einzelner Module zu minimieren. Das Engineering wird dabei auf den Lieferanten der einzelnen Module verlagert, der mit dem Modul auch die zugehörige Automatisierungstechnik zukünftig liefern wird, d.h. das Gesamtengineering wird dann in die Schritte Engineering der einzelnen Module und das Engineering zur Integration aller Module aufgeteilt.

Festo folgt diesem Ansatz und hat erstmals eine Lösung für die Automatisierung modularer Anlagen basierend auf Diskussionen mit einem global agierenden OEM im Bereich der Wasseraufbereitung erarbeitet. Der Anlagenbauer will zukünftig den Numbering-up-Ansatz für die Anpassung der Produktionskapazitäten umsetzen. Als wichtigster Baustein einer modularen Automation dient hier die dezentrale Automatisierungsplattform CPX. Sie kann neben dem pneumatischen Teil mit ihren Ausführungen in IP65/67 auch unterschiedliche Controller sowie Remote-IOs für Sensoren wie etwa Drucküberwachung oder Temperaturmessung modular auf ihrer Plattform aufnehmen. Damit lassen sich beispielsweise in der Wasser­aufbereitung Skids in unterschiedlichen Ausprägungen – je nach gewünschtem Anwendungsfall – aufbauen.

Vorteil über den Lebenszyklus der Anlage

Für eine komplette prozesstechnische Anlage ermöglicht der Einsatz von Modulen, das Engineering zu beschleunigen und kostengünstiger zu gestalten, da man nicht das gesamte Automatisierungskonzept bei Erweiterungen der Gesamtanlage anpassen muss, sondern nur die automatisierten Module an das Managementsystem anschließt. Damit ist eine reibungslose Kommunikation zwischen den verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide gewährleistet.

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Virtual Reality in der Kläranlage: Neue Anforderungen an die Mitarbeiterqualifikation

Mit Industrie 4.0 wird ein umfassender Einzug von Informations- und Kommunikationstechnik sowie deren Vernetzung stattfinden. Welche Komponenten, Systeme, Software und Vernetzungsformen sich als Standard durchsetzen werden, ist derzeit offen, d.h. dass zukünftige Technologie und Standards erst durch Hochschulen, Unternehmen und Institute erarbeitet werden müssen. Weiterhin werden sich die Innovationszyklen noch verkürzen, sodass der klassische Personalentwicklungsprozess von der Bildungsbedarfsanalyse bis zur Qualifizierung zukünftig nicht mehr anwendbar sein wird. Der Entwicklung von Kompetenzen, die als „Fähigkeit der Mitarbeiter, sich in offenen und unüberschaubaren, komplexen und dynamischen Situationen, selbstorganisiert zurechtzufinden“ definiert wird, wird an Bedeutung stark gewinnen.

Festo Didactic hat gemeinsam mit der Firma EON Reality erste Ansätze entwickelt, um die verschiedenen Aufgabenstellungen auf einer Kläranlage virtuell darstellen zu können. Mithilfe des Einsatzes von Virtual Reality kann der Lernende verschiedene Situationen/Aufgabenstellungen erproben. Wichtig dabei ist, dass der Lernende Fehler machen kann, ohne dass ernste Konsequenzen für die Prozesse und Abläufe auf der Kläranlage zu befürchten sind. Erste Versuche mit Auszubildenden sind sehr positiv verlaufen, sodass in Zukunft angedacht ist, Aufgaben mit seltenen und komplexen Problemstellungen, jedoch mit hohen Auswirkungen, zu integrieren.

Für OEMs bedeutet das modulare Konzept aber auch, Kleinserien von einheitlichen Modulen oder Skids schon auf Lager fertigen zu können. Damit erzielen sie Skalen­effekte in Produktion sowie Montage und senken ihre Kosten. Zusätzlich erhöhen sie ihre Lieferfähigkeit und ermöglichen es den Endkunden, mit den richtigen Produktionsmengen neuer Produkte früher am Markt auftreten zu können.

Nutzen von Industrie-4.0-Ansätzen

Produktionsanlagen werden zukünftig durchgängig digital vernetzt sein. Auf Basis standardisierter Kommunikationsformate werden im Engineering- und im Inbetriebnahmeprozess die Grundlagen dafür gelegt, dass über den gesamten Lebenszyklus der Anlage wesentliche Einsparungen erzielt werden können. Dies gelingt u.a. durch:

  • automatische Einbindung neuer Sensorik/Aktorik oder ganzer Module in das Automatisierungssystem;
  • Simulation neuer Funktonalitäten und Komponenten im digitalen Abbild der Anlage vor der eigentlichen Inbetriebsetzung;
  • Nutzung einmalig generierter Daten im Engineering-Prozess im gesamten Lebenszyklus der Anlage;
  • Analyse und Optimierung der Produktion durch Anwendung von Data Mining Algorithmen (Big Data);
  • zukünftige Nutzung von Cloud Services auch für Automatisierungsanwendungen;
  • Optimierung der Wartung und Instandhaltung über einen direkten Zugang zu allen relevanten Daten (Geräte-, Produktionsdaten, Wartungsanleitungen, Condition Monitoring usw.) über mobile Geräte direkt in der Anlage.

Ausblick

Die Wirtschaft steht am Übergang zur vierten industriellen (R)Evolution. Durch Internet und IT getrieben, wachsen reale und virtuelle Welt immer weiter zusammen. Die Beherrschung der zunehmenden Komplexität von Anlagen wird zwingend erforderlich sein, um die Wettbewerbsfähigkeit in einem zunehmend globalen Umfeld zu sichern.

Aber auch die Arbeitswelt und damit die Ausbildung wird sich stark verändern (siehe Kasten). So wird sich das Aufgabenprofil von Mitarbeitern signifikant verschieben zu Tätigkeiten mit höherer Wertschöpfung. Die Bereitschaft zu lebenslangem Lernen und eine kontinuierliche und interdisziplinäre Mitarbeiterqualifikation hat in diesem sich rasant ändernden Produktionsumfeld hohe Bedeutung und wird zusammen mit intelligenten Komponenten und Systemen langfristig die Attraktivität von Unternehmen und deren Marktposition entscheidend beeinflussen und sichern.

* Der Autor ist Leiter des Industry Segment Management Process Automation der Festo AG & Co. KG in Esslingen.

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