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Anpassung an Veränderungen? Modulare Fertigungsprozesse können helfen

In Zeiten des Wandels, sei es durch COVID-19 oder neue Rezepturen, können Hersteller dank modularer Automatisierung mit einfachen Maßnahmen ihre Produktion flexibilisieren.

Heute sind Hersteller mit einer neuen, harten Realität konfrontiert, in der es Lösungen für Lieferkettenprobleme, den Fachkräftemangel und strenge Sicherheitsvorkehrungen zu finden gilt. In den ersten Monaten der durch das neuartige Coronavirus verursachten COVID-19-Pandemie erkrankten weltweit mehrere Millionen Menschen und das Leben, wie wir es bisher kannten, kam zum Erliegen. Der Lichtblick? Viele Hersteller fühlen sich inspiriert und veranlasst, durch die Herstellung von Produkten im medizinischen Bereich und darüber hinaus den Kampf gegen die Verbreitung von COVID-19 zu unterstützen.

Diese Krise bringt Herstellern die Erkenntnis, dass sie die Art und Weise zu denken, zu planen und zu produzieren, ändern müssen. Fragen Sie und Ihr Team sich gerade, wie Sie die Produktion zurückschrauben oder ändern können, um neuen Bedürfnissen oder Marktanforderungen gerecht zu werden? Ob Sie die Produktionskapazitäten Ihrer Anlagen nun anpassen wollen oder müssen, modulare Fertigungsprozesse liefern schnelle, einfache und kostengünstige Möglichkeiten, um flexibel zu reagieren.

Während meiner fast 30-jährigen Tätigkeit in der Prozessautomatisierung wurde ich oft nach den effizientesten Methoden zur Aktualisierung oder Anpassung von Prozessautomatisierungssystemen an neue Produktionserfordernisse gefragt. Diese Fragen sind heute relevanter denn je, da Hersteller über weitere Möglichkeiten und Wege nachdenken, um die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit ihrer Prozesse sicherzustellen.

Egal ob es darum geht, ein neues Produkt oder einen neuen Rohstoff zu produzieren, eine Störung in der Lieferkette zu beheben, Kapazitäten zu erweitern oder ein bestehendes Steuerungssystems zu modifizieren, Sie sollten sich in jedem Fall die folgenden beiden Fragen stellen:

  • Woher wissen Sie, ob Ihr System bei einem Wechsel der Produktionsbedürfnisse schnell geändert und angepasst werden kann?
  • Wie halten Sie den Aufwand für die Durchführung und Überprüfung von Änderungen an Ihrem Prozessautomatisierungssystem so gering wie möglich?

Normen für die Batch-Steuerung

Entscheidend für die Flexibilität und Modularität eines Prozesses ist, ob dieser zum Zeitpunkt der Erstinstallation mit der internationalen ISA-Norm zur Batch-Steuerung ANSI/ISA-88 (auch bekannt als S88) übereinstimmte. Die S88-Norm, die 1995 veröffentlicht und 2010 aktualisiert wurde, legt Begrifflichkeiten und Verfahren fest, um die physischen Fähigkeiten von der Nutzung oder Ausrichtung Ihrer Maschinen und Geräte zu trennen. Sie unterscheidet zwischen dem „was“ (was können Sie messen, welche Kapazitäten hat die Ausrüstung usw.) und dem „wie“ (Verfahrensweise, Verarbeitungsschritte usw.).

Durch die Trennung von physischen und verfahrenstechnischen Aspekten können Systeme leicht modifiziert und an verschiedene Szenarien angepasst werden, von neuen Verarbeitungsanlagen und neuen Funktionen bestehender Anlagen bis hin zu neuen Betriebsaufträgen oder neuen Produkten – alles je nach den Erfordernissen der Prozessanlage.

Prozessänderungen bei der modularen Fertigung: häufige Szenarien

Modularität ist kein neues Konzept in der Automatisierung. Ich habe lange Zeit die Analogie eines Unterprogramms in BASIC benutzt, um dieses Konzept darzustellen. Ein einmal geschriebenes Stück Programmcode kann auf unterschiedliche Art und Weise wiederverwendet werden, indem Sie die Einstellungen für die Codeausführung ändern. Darin liegen die Schönheit und Stärke der Modularität.

Um den Nutzen der Modularität aufzuzeigen, wollen wir uns einige einfache, häufig bei Herstellern vorkommende Änderungsszenarien ansehen und überlegen, wie diese Änderungen durch modulare Programmierung gemäß S88 erleichtert werden könnten.

1. Hinzufügen eines neuen Rohstoffs zum Prozess. Es könnte auch um die Änderung eines bestehenden Rohstoffs gehen. Nehmen wir einmal an, dass wir einen unkomplizierten Mischprozess mit drei Rohstoffzusätzen durch eine neue Chemikalie, z. B. ein Viruzid, ergänzen und diesen neuen Rohstoff in unsere 10 bestehenden Rezepte aufnehmen wollen. Wie kann dies am effizientesten geschehen?

  • Nicht-modulare Lösung: In einer typischen Anlage, die nicht den Prinzipien der modularen Programmierung folgt, muss jedes Rezept einzeln durch das neue Viruzid ergänzt werden. Da hierbei kein modulares Konzept angewandt wird, muss die gesamte Funktionalität für den neuen Rohstoff in jede Rezeptur übertragen werden.
  • Modulare Lösung: In einer modularen Implementierung wird die neue Rohstoff-Funktionalität als Objekt eingebunden. Das Objekt repräsentiert aus der Automatisierungsperspektive die komplette Funktionalität des Materialsystems dieses Rohstoffes. Es wird für die Fähigkeiten des Systems erstellt. Die Rezepte werden so geschrieben, dass sie diese Automatisierungsobjekte ausführen oder aufrufen. Die gesamte Funktionalität wird also einmal in das Objekt geschrieben und dann bei der Ausführung durch Rezepte aufgerufen.

Da die Funktionalität nur einmal, und nicht in jedem Rezept, erstellt werden muss, sind Einsparungen von bis zu 90 % des Implementierungsaufwands denkbar, was einen erheblichen Kosten- und Zeitvorteil darstellt.

2. Neues Produktrezept. Stellen Sie sich vor, Sie möchten ein neues Rezept zu einem bestehenden System hinzufügen. Dieses Beispiel zeigt, wie vorteilhaft es ist, wenn man die funktionalen Objekte einfach zu neuen, einzigartigen Kombinationen und Aufträgen kombinieren kann.

  • Nicht-modulare Lösung: Das neue Rezept enthält den gesamten Code für die Ausführung jeder erforderlichen Aktion, jeder Rohstoffzugabe, jedes Rührvorgangs, jeder Kühlung und jedes Transfers.
  • Modulare Lösung: Das neue Rezept verwendet Links oder Zeiger auf die Objekte für Rohstoffzugabe, Rühren, Kühlen und Transfer.

Die Einsparungen bei der Umsetzung von Rezepturen hängen von der Komplexität des Rezeptes ab. Je komplexer die Rezeptur, desto größer die möglichen Einsparungen. Der Aufwand für die Implementierung einer neuen Rezeptur in einer modularen Anlage liegt im Vergleich zu einer nicht-modularen Anlage bei einer einfachen 10-Schritt-Rezeptur bei weniger als 20 %. In beiden Beispielen werden durch die modulare Implementierung zusätzliche Vorteile erzielt, wie reduzierte Kosten für die Konfigurationsverwaltung, reduzierter Testaufwand und beschleunigte Änderungsprozesse.

Modularität: Ein klarer Gewinner, wenn es um Flexibilität geht

Diese Beispiele zeigen, dass die durch S88 vorgegebene Trennung eine Modularisierung der Steuerungsfunktionalität ermöglicht, d. h. die Funktionalität ist in kleinen wiederverwendbaren Objekten enthalten. Diese kleinen wiederverwendbaren Objekte repräsentieren die Funktionalität der physischen Welt, also des Prozesses. Die Objekte mit Gerätefunktionalität können ohne Auswirkungen auf andere Objekte aktualisiert und modifiziert, hinzugefügt oder aus dem System entfernt werden, was den Änderungsaufwand ungemein verringert.  Wer hat nicht schon einmal versucht, ein monolithisches Programm, scherzhaft als „Spaghetticode“ bezeichnet, anzupassen?

Das zweite Beispiel veranschaulicht, dass diese Objekte je nach Bedarf beliebig für neue Produkte oder Rezepte kombiniert werden können, da sie getrennt und modular sind. Die Konzepte und Ideen in S88 wurden zwar mit Schwerpunkt auf die Batch-Fertigung entwickelt, können aber auf eine Vielzahl von Prozessen angewandt werden.

Sie denken vielleicht: Vereinfachte, abstrakte Beispiele sind ja schön, aber wie helfen uns diese Konzepte bei etwas so Wichtigem wie dem Kampf gegen COVID-19? Derzeit stellen sich viele Hersteller auf die Herausforderungen der Lieferkette ein und machen sich dabei die Flexibilität modularer Fertigungsprozesse zu eigen. Einige gehen noch weiter und stellen völlig neue Produkte her, um die Bemühungen des öffentlichen Gesundheitswesens bei der Bekämpfung der Pandemie zu unterstützen:

  • Beatmungsgeräte – ein Unternehmen im Gesundheitssektor konnte die Produktion in nur wenigen Wochen hochfahren
  • Virustests – ein multinationaler Gesundheitskonzern hat die Produktion auf COVID-19-Tests umgestellt
  • Handdesinfektionsmittel – Brauereien und Destillateure haben die Produktion aufgrund der kritischen Nachfrage schnell auf Rezepturen mit höherem Ethanolanteil angepasst

Ist modulare Fertigung der richtige Weg für Sie?

Um festzustellen, ob Ihre Prozesse und Automatisierungssysteme modular aufgebaut sind, müssen Sie lediglich die Frage beantworten, ob alle Rezepte bei physikalischen Prozessänderungen an Ihrer Ausrüstung angepasst werden müssen. Wenn Sie bei einer physikalischen Prozessänderung zahlreiche Rezepte modifizieren müssen, ist ihr System möglicherweise nicht modular. Eine gute Grundlage für die modulare Automatisierung sind die neuesten ANSI/ISA-Normen S88 und S95, die sich mit modularen Hierarchien in der Fertigungsautomatisierung befassen und sowohl aktuelle als auch bewährte Fertigungspraktiken bereitstellen.

Was können Sie tun, um mehr Modularität bei Ihren Automatisierungssystemen zu erreichen? Ein einfacher dreistufiger Prozess bringt Sie auf Kurs:

  1. Ziele setzen. Dokumentieren Sie, wie eine flexible Fertigungsstrategie für Ihren Produktionsbereich aussieht. Legen Sie die angestrebten Ziele und die daraus entstehenden Vorteile fest.
  2. Einen Plan erstellen. Bewerten Sie Ihre aktuelle Ausrüstung und Ihre Arbeitsabläufe und überprüfen Sie diese gemeinsam mit einem Automatisierungsberater, der sich mit S88-Konzepten auskennt. Stellen Sie fest, inwiefern sich Ihre Ziele mit der aktuellen Ausrüstung umsetzen lassen und wo Verbesserungsbedarf besteht.
  3. Maßnahmen ergreifen. Legen Sie Prioritäten für Investitionen fest und setzen Sie Änderungsprojekte um, mit denen Sie Ihre Ziele erreichen können.

Unsere Lösungsberater sind Experten für Batch-Steuerung und Automatisierung und sie können Ihnen helfen, den Weg nach vorn zu gestalten, egal an welchem Punkt Sie sich gerade befinden. In unserer sich stetig wandelnden Welt steht Rockwell Automation Ihnen zur Seite, um Sie dabei zu unterstützen, COVID-19 und weitere Herausforderungen zu überwinden. Erfahren Sie mehr über die Unterstützungsmöglichkeiten durch unsere Berater.


Bruce Kane
Bruce Kane
Global Industry Technical Consultant, Life Sciences, Rockwell Automation
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