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Auf dem Weg zur wandlungsfähigen Produktion

Mit DIMA hat WAGO eine neue und herstellerunabhängige Lösung für die Automatisierung modularer Anlagen präsentiert, die das Anlagenengineering deutlich verkürzt und den späteren Anlagenumbau erleichtert. DIMA verknüpft Modularität und Industrie-4.0-Ansätze zu einem gewinnbringenden Wertschöpfungsprozess über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage – von ihrer Planung bis hin zu ihrem Recycling.

DIMA

  • Vernetzt
  • Verändert Wertschöpfungsprozesse
  • Vorteile für Modulhersteller und Anlagenbetreiber
  • Horizontale und vertikale Integration alla Industrie 4.0
  • Baustein für Industrie 4.0

Austausch ganzer Analgenmodule in weniger als drei Minuten

Gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg hatte WAGO zur Hauptsitzung der NAMUR im November 2014 mit DIMA (Dezentrale Intelligenz für Modulare Anlagen) einen Ansatz für die Automatisierung modularer Prozessanlagen präsentiert, die das Integrationsengineering einer Anlage deutlich verkürzt und einen späteren Umbau der Anlage erleichtert. Herzstück des DIMA-Ansatzes ist das MTP (Module Type Package): eine neue Definition für die Beschreibung von verfahrenstechnischen Anlagenmodulen. In diesem Modulbeschreibungsmodell wird die Information abgelegt, die zur herstellerunabhängigen Integration eines Anlagenmoduls in das Prozessleitsystem einer Anlage notwendig ist.

Im Frühjahr 2015 hatte sich die Interessengemeinschaft NAMUR dazu entschieden, den DIMA-Ansatz von WAGO zu übernehmen und weiterzuentwickeln. Ziel ist es, das von WAGO vorgestellte MTP in den Bereichen Prozessführung, Visualisierung, Alarmmanagement und Diagnose zu standardisieren. Parallel dazu hat WAGO zusammen mit den Hochschulpartnern das DIMA-Konzept weiterentwickelt und prototypisch umgesetzt. Mit dem dazu entwickelten Anlagendemonstrator konnte WAGO nicht nur beweisen, dass die DIMA-Methode praktikabel ist, sondern der Austausch ganzer Anlagenmodule in weniger als drei Minuten möglich ist.

DIMA vernetzt

DIMA leistet damit einen enormen Beitrag zu einer wandlungsfähigen Produktion – und die ist im Umfeld zunehmend dynamischer Marktveränderungen gefragter denn je. Denn der Wunsch nach individuellen Gütern führt zu einer immer höheren Variantenvielfalt – teilweise bis zur Notwendigkeit, individualisierte Produkte zu fertigen. Die globale Verfügbarkeit von Waren sorgt zusätzlich für schwankende Auftragseingänge und sich regional verschiebende Absatzmärkte. Unternehmen müssen darum über Produktionsprozesse verfügen, die universell, mobil, skalierbar, modular und kompatibel sind. Das wiederum setzt Prozesse voraus, die sich schnell an sich ändernde Anforderungen anpassen lassen und transparent relevante Produktionsdaten liefern, beispielsweise solche, die Auskunft über die Lieferfähigkeit geben.

Austausch ganzer Anlagenmodule in weniger als drei Minuten: Gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg hat WAGO das DIMA-Konzept in einem Anlagendemonstrator prototypisch umgesetzt.

Anlagenmodule mit eigener Intelligenz

Die Kombination von wandlungsfähigen Produktionsanlagen und der Notwendigkeit, Betriebsdaten und Lebenszyklusinformationen lückenlos zu erfassen, abzuspeichern und auszuwerten, setzt voraus, jedes Anlagenmodul mit eigener Intelligenz auszustatten. Die intelligenten Module können dadurch miteinander und mit dem Prozessleitsystem sprechen. Denn nur dadurch ist der Durchgriff von der Leitebene auf jeden Parameter der Anlage möglich und nur dadurch lassen sich erhobene Daten eindeutig zuordnen und analysieren, ohne in der Informationsflut zu verschwinden. Die Automatisierungskomponenten, die dazu eingesetzt werden, müssen über eine standardisierte Schnittstelle verfügen – eben so, wie es DIMA mit der MTP-Schnittstelle vorsieht. Nur so ist die Vernetzung und Durchgängigkeit aller beteiligten Komponenten über den gesamten Lebenszyklus möglich – und damit auch Industrie 4.0.

Steigende Erträge für alle

Auf Basis einer solchen Modularität – der physischen Anlage genauso wie des Automatisierungssystems – ändert sich nicht nur die informationstechnische Kommunikation der Anlage, das Anlagenengineering oder der Anlagenbetrieb, sondern ebenso die ganze damit verbundene Wertschöpfung. Betrachtet man eine modulare Anlage, kann diese während ihres gesamten Lebenszyklus aus einer Vielzahl von Modulen und deren unterschiedlichsten Zusammenstellungen bestehen. Ein Modul kann wiederum in mehreren unterschiedlichen Anlagen eingesetzt werden. Der Lebenszyklus der Anlage unterscheidet sich dadurch deutlich vom Lebenszyklus eines Anlagenmoduls. Durch die Nutzung von DIMA kann dieser Umstand so genutzt werden, dass sich der Ertrag über die gesamte Wertschöpfungskette einer Produktionsanlage steigert: für den Modulhersteller, den Anlagenbauer und -betreiber.

Wichtige Daten auf einen Blick: Um die Module unabhängig voneinander parametrieren und diagnostizieren zu können, verfügt jedes von ihnen über ein eigenes Bedienpanel e!DISPLAY.

Anlagenengineering in zwei Schritten

Der Prozess des Anlagenengineerings teilt sich bei DIMA auf zwei Schritte auf: das Engineering des Moduls und die Integration der Module in eine Anlage. Das Engineering des einzelnen Anlagenmoduls erfolgt im Verantwortungsbereich des Modulherstellers. Er ist der Fachmann seines Moduls und des entsprechenden Verfahrens innerhalb des Moduls. Damit der Modulhersteller das Know-how seines Modules schützen kann und der Anlagenbetreiber sein Wissen über den Produktionsprozess, gibt es mit DIMA zwischen beiden Ebenen eine neutrale Schnittstelle. Auf Basis von DIMA ergibt sich für den Modulhersteller eine große wirtschaftliche Unabhängigkeit vom Anlagenbauer. Der Modulhersteller muss sein Anlagenmodul nicht mehr projektbezogen und kundenindividuell entwickeln, sondern kann es als Serienprodukt fertigen, was ihn sowohl zeitlich als auch finanziell unabhängig vom Anlagenbetreiber macht. Ein „standardisiertes“ Modul kann der Modulhersteller solide entwickeln, ausführlich testen, langfristig verbessern und kurzfristig zur Verfügung stellen. Das ist rentabler als kundenindividuelle Anlagenmodule in die proprietäre Umgebung des Anlagenbauers liefern und integrieren zu müssen.

Vorteile von DIMA

  • Lieferung just-in-time
  • Reduzierung der Kapitalbindung des Anlagenbauers

  • Reduzierte Kosten
  • Geringeres Risiko für Anlagenbauer
  • Bedienoberfläche im einheitlichen Look-and-feel

Zeitersparnis senkt Kosten

Beim Anlagenengineering lädt der Anlagenbauer lediglich das MTP in das Prozessleitsystem und bindet das Anlagenmodul physisch an den Backbone an. Das Prozessleitsystem der Gesamtanlage und das Anlagenmodul können dann direkt miteinander kommunizieren – Plug-and-Produce. Dieser Engineeringvorgang benötigt weniger als drei Minuten pro Modul; gegenüber mehreren Tagen, Wochen oder Monaten, die für das Engineering einer Anlage ohne DIMA erforderlich wären. Ist die Anlage aufgebaut, kann das Produktionssystem durch DIMA schnell um- oder nachgerüstet werden, indem einzelne Anlagenmodule ausgetauscht oder im Rahmen eines sogenannten Numbering-ups mehrfach in die Gesamtarchitektur der Anlage integriert werden. Damit kann der Anlagenbetreiber flexibel auf sich ändernde Marktanforderungen reagieren.

Schlussendlich können einzelne Anlagenmodule ohne Auswirkung auf die Gesamtanlage stillgelegt werden, weil ihr Recycling auf Ebene der Module erfolgt. Entsprechend kann der Austausch mit dem Modulhersteller vereinbart und von ihm durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang wären sogar Leasingmodelle denkbar.

Jedes Modul der prototypischen DIMA-Anlage ist mit einem PFC200 ausgestattet, der alle Abläufe innerhalb eines Moduls steuert: die Kommunikation zu den Feldgeräten, die Überwachung von Verriegelungen sowie die Berechnung von Regelkreisen.

DIMA – Baustein für Industrie 4.0

Die Geschäftsprozesse von Modulhersteller und Anlagenbetreiber sind auf Basis von DIMA wesentlich stärker horizontal miteinander vernetzt als es bis dato der Fall ist. Denn die Auswahl und Nutzung der Module erfordert eine enge Zusammenarbeit. In deren Rahmen definiert der Anlagenbetreiber lediglich eine prozesstechnische Funktionalität – der Modulhersteller bietet das Dienstleistungsbündel aus Verfügbarkeit, Service und Wartung dieser Funktionalität, die als Dienst in einem Modul gekapselt ist – beispielsweise auf Basis eines Service-Level-Agreements. Der Anlagenbetreiber lagert die Komplexität an den Zulieferer aus und kann sich so auf seine Kernkompetenzen fokussieren. Für den Modulhersteller entsteht durch die neue Form der Zusammenarbeit der Benefit, permanent auf die Betriebs- und Nutzungsinformationen seiner Module zugreifen und die eigenen Module auf Basis dieser Daten kontinuierlich verbessern zu können.

Bedienbild eines Moduls mit der Funktion „Mischer“ in der Engineering-Software e!COCKPIT.

Vertikale Integration der Wertschöpfungsketten

Die vertikale informationstechnische Integration der Wertschöpfungsketten von Modulherstellern, Anlagenbetreibern und Anlagenerbauern erfolgt über das „Module Type Package“ (MTP) – die digitale Beschreibung des Anlagenmoduls. Es wird automatisch aus dem Engineering-Werkzeug des Modulherstellers generiert und anschließend automatisch in das Prozessleitsystem des Anlagenbetreibers eingelesen, um dem Prozessleitsystem die Module und die von ihnen bereitgestellten Dienstleistungen bekannt zu geben.

Cyber-Physical-Systems

Ganz unabhängig davon, wie Industrie 4.0 in Zukunft realisiert wird, wird sie die Nutzung von Cyber-Physical-Systems voraussetzen. Cyber-Physical-Systems werden charakterisiert durch die Verknüpfung einer Komponente, beispielsweise einer Maschine, Steuerung oder eines Sensors, mit einem entsprechenden virtuellen Repräsentanten. Der virtuelle Repräsentant bildet die gegenständliche Komponente ab, verwaltet und organisiert sie als Ressource auf einem virtuellen Marktplatz und ermöglicht so die Interaktionen zwischen verschiedenen cyber-physischen Systemen.

Auf DIMA projiziert, stellt das autarke Anlagenmodul den physischen Gegenstand dar, während das Module-Type-Package ein Weg zur Realisierung des virtuellen Repräsentanten im Informationsnetz ist. Das MTP repräsentiert schon jetzt die Funktionen des Anlagenmoduls und verwaltet diese in der Architektur der gesamten Anlage. Es ist somit Befähiger für Industrie 4.0 und DIMA damit ein erster realer Baustein, Industrie-4.0-Anforderungen zu lösen.

Import eines Module-Type-Packages über die grafische Benutzeroberfläche des Prozessleitsystems Zenon.

digitalisierung_referenz_dima_meissen_modulare-anlage_2000x2000.jpg

DIMA – die Lösung für die Automatisierung modularer Anlagen

Grundgedanke der modularen Anlagenarchitektur ist es, vollständig qualifizierte Module mit eigener Automatisierung mit minimalem Aufwand in die Gesamtanlage zu integrieren. Sie bietet eine offene Systemarchitektur und ermöglicht ein kostengünstiges Engineering der Gesamtanlage. Lesen Sie hier, wie DIMA wandlungsfähige und smarte Produktion auf den Weg bringt.

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