Applikationslösungen im Zeichen von Industrie 4.0

„Intelligente“ Strukturen und Abläufe beim Hersteller wirken sich letztendlich in Mehrwert für den Kunden und Endanwender aus. Bürkert (vgl. Firmenkasten) liefert dafür immer wieder Beispiele. Der Fluidik-Spezialist, der gleichzeitig Experte für elektromechanische Systeme sowie Schaltschrankbau ist, treibt unternehmensintern die eigene Digitalisierung voran und denkt branchenübergreifend (Bild 1). Damit bringt er mit seinen Systemlösungen auch die Digitalisierung seiner Kunden und deren Anwendungen mit intelligenten Systemlösungen weiter, wie das Beispiel aus der Kosmetikherstellung im Folgenden zeigt.

Eine typische Anwendung und ihre Anforderungen

(Referenten: Fabian Mittnacht und Alexej Iwaschkin)

Alle zur Herstellung und Abfüllung von Glasampullen für kosmetische Produkte notwendigen Prozesse können in einer Maschine integriert werden (Bild 2), die darauf ausgelegt ist, sehr flexibel unterschiedliche Produkte zu produzieren. Im Prozess wird die Ampulle aus einem Glasrohling gefertigt, automatisch befüllt, verschlossen und anschließend mit wichtigen Informationen bedruckt und verpackt. Jeder der Prozessschritte stellt hohe Anforderungen: Beim Formen der Ampulle aus dem Glasrohling müssen die Brenngase dem Brenner in einem richtigen Mischungsverhältnis zugeführt werden. Beim Abfüllen des Mediums steht eine präzise und anpassbare Dosierung im Fokus. Abschließend werden die Prozessparameter und Daten einer erfolgreichen Dosierung zur Dokumentation an die Steuerung zurückgemeldet. Die an diesem Prozessschritt beteiligten Komponenten müssen nicht nur die dafür notwendigen technischen Spezifikationen erfüllen, sondern sich auch gut reinigen lassen. Deshalb ist auch die Kontrolle des korrekten Mediums ein wichtiger Bestandteil des Systems. Beim Verschließen der Glaskolben durch einen Gasbrenner gilt es, den Wärmeeintrag in das Medium zu minimieren. Die Flamme muss dynamisch steuerbar sein, wozu eine präzise Druck- und Durchflussregelung der Brennergase auch hier erforderlich ist. Am Ende des Herstellungsprozesses wird die Ampulle durch einen Tintenstrahldrucker beschriftet. Im Drucker sorgen Bürkert-Produkte oder -Systeme im Tintenmanagement dafür, den Druckkopf mit Tinte zu versorgen sowie ihre Eigenschaften, wie z.B. Viskosität und Temperatur, zu regeln und zu überwachen.

Die Maschine soll in der Lage sein, kleine Losgrößen mit großer Produktvarianz, was sowohl die Medien als auch die Ampullengröße anbelangt, wirtschaftlich herzustellen. Hierfür sind kurze Takt- und Rüstzeiten gefragt. Die Prozesstechnik muss also nicht nur genau und dynamisch, sondern auch flexibel arbeiten. Rezeptabhängige Parametrierung dezentraler Steuer- und Regelkreisläufe sowie Diagnosefunktionen, z.B. für vorbeugende Wartungsmaßnahmen, sorgen für diese Flexibilität und ein reduziertes Informations- und Kommunikationsaufkommen. Als Basis für die Realisierung dieser einzelnen prozesstechnischen Anwendungen dienen bewährte Bürkert-Plattformen: Individuell anpassbare Ventilinseln für die Pneumatik-Steuerung, Massendurchflussregler-Systeme für Druck- und Durchflussregelung sowie die Kommunikationsplattform EDIP (Efficient Device Integration Platform) zur digitalen Vernetzung der intelligenten Bürkert-Systeme innerhalb der Produktionsmaschine.

Ventilinseln als pneumatische Automatisierungssysteme

(Referent: Tobias Zipf)

Verfahrenstechnische Anlagen in Pharma-, Kosmetik-, Nahrungs- und Genussmittelindustrie oder Wasseraufbereitung profitieren davon, wenn elektrische und pneumatische Funktionen in einer Ventilinsel zusammengefasst sind (Bild 3). So lassen sie sich über nur eine Busleitung ansteuern und das Programmieren wird einfacher. Heute sind die integrierten Ventilinseln von Bürkert zu intelligenten, elektropneumatischen, obendrein auch noch Ex-sicheren Automatisierungssystemen “gewachsen“, die sich „nahtlos“ in die Prozesssteuerungswelt einfügen. Zudem bilden sie als flexible Plattform die Basis, um innerhalb kurzer Zeit applikationsspezifische Systemlösungen zu realisieren, schließlich gleicht kaum eine prozesstechnische Anwendung der anderen. Ein typischer Einsatzbereich für solche Ventilinseln ist beispielsweise das Füllen von Glasampullen in der Kosmetik- oder Pharmaindustrie. Im Kontext mit Industrie 4.0 steigen hier die Anforderungen. Dabei sollten sich z.B. Sicherheits- und Diagnosefunktionen integrieren bzw. auch nachrüsten lassen. Die Vernetzung über industrielle Standards muss möglich sein, vorbeugende Wartungsmaßnahmen sind erwünscht und schlussendlich gilt es auch die Mensch-Maschine-Schnittstelle zu berücksichtigen.

Manches davon ist bereits mit einfachen Mitteln realisierbar. Für sicherheitsgerichtete Abschaltungen lassen sich beispielsweise Ventilfunktionen direkt auf der bestehenden Ventilinsel und unabhängig von der regulären Schaltsignalsteuerung stilllegen, wenn hier Ventile für sicherheitsgerichtete Abschaltungen nachgerüstet werden. Auch das ist bereits ein Schritt in Richtung Industrie 4.0. Deutliche Maßstäbe auf diesem Weg setzt die Ventilinsel AirLINE SP Typ 8647, die vollständig in das dezentrale Remote I/O System ET200SP von Siemens integriert ist. Bei ihr kann der Anwender ohne zusätzliche Peripheriegeräte direkt auf einem vor Ort eingebauten LC-Display den Status der Ventilinsel, Fehler oder Diagnosedaten ablesen. Dies erfolgt sowohl in Klartext als auch symbolisch. Alle auf der Ventilinsel generierten Informationen können auch in der Steuerung verarbeitet werden. Die integrierten Schaltspielzähler generieren Daten, die eine vorbeugende Wartung ermöglichen und ebenfalls als Klartext auf der Ventilinsel direkt im Schaltschrank angezeigt werden. Für den Einbau in den Schaltschrankboden gibt es die Bodeneinbauplatte AirLINE Quick aus Edelstahl oder Aluminium. Damit lässt sich auch die neue Ventilinsel platzsparend in einem Schaltschrank montieren. Anwender im Pharma- und Nahrungsmittelsektor können dadurch kleine, dezentrale Einheiten mit einer hohen Signaldichte direkt vor Ort installieren.

Die Ventilinseln kommunizieren über gängige Industrial-Ethernet-Protokolle oder PROFIBUS DP. In geschlossenen Ringtopologien und PROFINET IO Kommunikation sorgt das Media Redundancy Protocol (MRP) für ein hochverfügbares Netzwerk, das sogar den Ausfall eines Switches oder einer Leitung kompensieren kann. Dies erhöht die Anlagenverfügbarkeit und macht den Prozess sicherer. Die Kommunikation innerhalb der Ventilinseln und mit weiteren intelligenten Bürkert-Geräten läuft über die Kommunikationsplattform EDIP.

Die Kommunikationsplattform EDIP als Tor zu Industrie 4.0

(Referentin: Nandini Mungee)

Ventile, Sensoren und Aktoren in prozesstechnischen Anlagen sind keine Einzelkämpfer. Erst wenn verschiedene Ventilfunktionen und Sensoren miteinander verknüpft werden, bekommt die Anlage eine Funktion. Klassisch übernimmt dies eine SPS. Während bei einer Kombination mehrerer Ventilfunktionen die Signalanzahl noch überschaubar ist, steigt die Informationsanzahl mit der Anbindung der Sensoren deutlich an. Dann ist es aber nicht mehr einfach, alle Möglichkeiten, die sich daraus ergeben, auch auszunutzen. Denn bei jeder noch so kleinen Änderung muss ins Programm der SPS eingegriffen werden.

Darauf hat Bürkert mit der Entwicklung der Geräteplattform EDIP (Efficient Device Integration Platform) reagiert und eine praxisgerechte Lösung geschaffen, die anwendungsspezifische Lösungen auf Basis der eigenen standardisierten Plattform ermöglicht (Bild 4). Das autarke Sub-System wird in das vorhandene Netzwerk bzw. an den jeweiligen übergeordneten Feldbus an genau einer Stelle eingebunden. Das vereinfacht die Projektierung und minimiert Schnittstellen. Die EDIP-fähigen Geräte kommunizieren über ein Interface auf Basis des Industriestandards CANopen, der mit zusätzlichen Features erweitert wurde. So ist beispielsweise kein Master notwendig und die Teilnehmer werden automatisch adressiert.

Ein wichtiger Baustein von EDIP ist PC-Software „Communicator“, die allen Kunden kostenfrei zur Verfügung steht. Das Programm dient der Konfiguration bzw. Parametrierung aller „intelligenten“ Bürkert-Produkte. Vor allem die grafische Programmieroberfläche bietet einen hohen Praxisnutzen, da sich mit ihrer Hilfe beliebige Funktionen realisieren und applikationsspezifische Prozessabläufe regeln lassen, zum Beispiel Mischungsregelungen von Gasen, Zustandserfassungen oder eine Fehlerüberwachung. Für die individuelle Anpassung und Optimierung von Teil-Prozessen ist ein Eingriff ins Leitsystem somit nicht mehr zwingend notwendig, was die Anlageneffizienz steigert sowie Zeit und Kosten spart (Bild 5). Dabei soll der Ansatz mit dezentraler Intelligenz nicht das klassische Prozessleitsystem ersetzen, sondern ist durchaus als Teil eines Gesamtsystems sinnvoll. Neben dem Einsatz in Subsystemen besteht aber auch die Möglichkeit, autarke, dezentrale Systeme zu erstellen, um schnell, einfach und kostengünstig individuelle Lösungen umzusetzen.

Kundenspezifische Automatisierungssysteme

(Referent: Werner Bennek, Heiko Kurtz)

Da prozesstechnische Anlagen unterschiedliche Anforderungen stellen, muss sich die Auftragsabwicklung bei Bürkert entsprechend anpassen. Der Kunde hat unterschiedliche Möglichkeiten Produkte auszuwählen. Anschauliche Beispiele dafür liefert das Hygienic-Design-Programm (Bild 6). Einfach und schnell geht die Bestellung über das Standardprogramm Select-to-Order (STO). Auch hier sind bereits Individualisierungen möglich. Für die schnelle und sichere Automation fluidischer Prozesse in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie hat Bürkert standardisierte, hygienegerechte Schaltschranklösungen mit einheitlichen Adaptionsschnittstellen entwickelt, die schnell geliefert, angeschlossen und in Betrieb genommen werden können. Die Schaltschrankgehäuse sind je nach Platzbedarf der erforderlichen Komponenten in drei Baubreiten mit jeweils gleicher Höhe und Tiefe erhältlich. Diese Beschränkung bringt den Vorteil der preiswerten Standardisierung und kurzfristigen Verfügbarkeit, bietet aber dank der darauf abgestimmten modularen Konzepte von Bürkert trotzdem genügend Flexibilität für applikationsspezifische Lösungen.

Individuellere Bestellmöglichkeiten bietet Configure-to-Order (CTO). Hier können die Schaltschränke mit bestimmten Optionen kundenindividuell konfiguriert (geschlossene Konfiguration) oder auch um Sonderwünsche ergänzt werden, z.B. was die Anschlusstechnik oder das Material anbelangt. Während Schaltschränke für nicht Ex-Bereiche meist klassische CTO-Bestellungen sind, gibt es für Ex-Bereiche oft noch zusätzliche Anforderungen, z.B. Erwärmungsmessung, EPLAN-Makros oder spezielle Parametrierung. Der Übergang zwischen CTO und Engineer-to-Order (ETO) wird hier fließend. Dabei bemüht sich Bürkert jedoch, die vom Kunden gewünschten Individualisierungen – soweit möglich – standardisiert zu bedienen, durch Modularisierung, multifunktionale Bauteile, Baukastensysteme oder Plattformen. Dazu gehören auch dezentrale Lösungen, bei denen z.B. Ventile im Feld mit intelligenten Steuerköpfen ausgestattet sind.

Effiziente Nutzung der Plattformen

(Referent: Fabian Mittnacht, Alexej Iwaschkin)

Fluidische Aufgaben in der Automatisierungstechnik sind sehr vielfältig und erfordern spezifische Kenntnisse. Oft gibt es keine standardisierte oder konfigurierbare Lösung am Markt. Bürkert bietet deshalb in seinen Systemhäusern die kundenspezifische Entwicklung von Systemen. Kunden können in den gemeinsam umgesetzten Projekten auf ein durchgängiges Leistungsportfolio zurückgreifen: Von der technischen Konzeption und Projektierung, der eng abgestimmten Entwicklung und Dokumentation bis hin zur Montage, Prüfung und Qualifizierung der Systeme. Dazu zählen auch die Inbetriebnahme von Komplettlösungen, weltweite Zulassungen für verschiedenste Prozessumgebungen, einschließlich explosionsgefährdeter Bereiche. Dieses „Alles aus einer Hand“-Prinzip sorgt für hohe Qualität sowie erhebliche Zeitersparnis, da alles unter einem Dach konzipiert, gefertigt und montiert wird. Kunden müssen das benötigte Know-how zur erfolgreichen Umsetzung der Lösungen sowie der Fertigungsprozesse nicht mehr intern aufbauen, sondern können sich auf einen einzigen Ansprechpartner mit der notwendigen und spezifischen Erfahrung verlassen. Die vielfältigen Aufgaben und Anforderungen der kundenspezifischen Projekte aus den unterschiedlichsten Applikationen führen zu ebenso vielfältigen Lösungen. Da die Entwicklung von individuellen Lösungen zeitintensiv sein kann und individuelle Systeme für manche Anwendungen nicht ökonomisch sind, entwickelt und erweitert Bürkert kontinuierlich technologische Plattformen. Diese Plattformen dienen unter anderem dazu, komplexe Systemlösungen auf einer flexiblen Basis aufzusetzen. Die Entwicklungszeit und die Time-to-market reduzieren sich dadurch, dass keine grundlegenden Entwicklungen mehr durchgeführt werden müssen, was sich auch positiv auf die Entwicklungskosten auswirkt. Durch die Bündelung von individuellen Lösungen in Plattformen kann bei der Umsetzung ebenso auf Gleichteile und Fertigungsprozesse zurückgegriffen werden. Die Umsetzung von maßgeschneiderten Lösungen wird auf diese Weise kosteneffizienter und schneller. Im Hinblick auf die Digitalisierung der Systeme wird die EDIP-Plattform verwendet. Diese Plattform bietet neben der standardisierten Kommunikation der Geräte auch Soft- und Hardware-Bausteine, die sich direkt verwenden oder auch anpassen lassen. Ein Beispiel dafür ist die Massendurchflussregler-Plattform. So können auf Basis von EDIP mehrere Massendurchflussregler miteinander vernetzt, mit einer Druckregelung kombiniert und eine Ablaufsteuerung, z.B. für eine Brennersteuerung, mit dem Bürkert-Communicator programmiert werden. Auch bei Dosiersystemen für Flüssigkeiten, welche die Zeit-Druck-Technologie verwenden, wurde der Plattformgedanke umgesetzt. Mit geringem Aufwand können anwendungsspezifische Lösungen kundenindividuell aus der Plattform abgeleitet werden. Zur Dosierung von flüssigen Medien sind nicht nur die Dosiersysteme notwendig. Auch die Bereitstellung, Kontrolle und Zuführung der Medien in der richtigen Qualität wird basierend auf einer Plattform von Bürkert im Fluidmanagementsystem umgesetzt, welches auf die individuellen Anforderungen der Anwendung angepasst wird. Ein wichtiger Bestandteil des Angebotes ist auch die Automatisierung des Fluidmanagements, z.B. durch die AirLINE Ventilinseln sowie das Dosiersystem und damit die Automatisierung des gesamten Dosierprozesses. Durch die konsequente Nutzung und Anpassung der Bürkert-Plattformen sind so individuelle und technisch anspruchsvolle Systemlösungen in kurzer Zeit umzusetzen (Bild 7).