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Beitrag aus atp 03/2015, DIV Deutscher Industrieverlag GmbH

SonderdruckEckard Eberle, CEO Process Automation Business Unit, Siemens AG Hans-Georg Kumpfmüller, CTO Process Industries and Drives Division, Siemens AG

TitelDigitale Fabrik – was daran ist real? Die Anlage wird digital – Integrated Engineering von Planung bis Betrieb

Mit einem Editorial von Anton S. Huber, CEO Digital Factory Division, Siemens AG, zur Gesamtausgabe der atp

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Die atp edition hat die Digitale Fabrik zum Thema dieses Heftes gemacht. Gemeint ist die Industrie der Zukunft, ob diskrete Fertigung oder Prozess industrie. Was bedeutet das für die Ausrichtung der Unternehmen? Was ist konkret unter der digitalen Fabrik zu verstehen, und wie real ist sie heute?

Wenn man manchen Propheten glaubt, wird auch in der Fabrik bald alles über Big Data und die Cloud gesteuert. Daten am Anfang, Daten am Ende, dazwischen ein Heer von Robotern, Maschinen und Anlagen, die sich selbst steuern. Ob das wünschenswert wäre, sei dahingestellt. Aber geht das überhaupt?

Siemens ist seit Jahrzehnten in der Industrie-Automati-sierung zu Hause. Das Kundenspektrum erstreckt sich von den diskreten Industrien wie der Automobilindustrie bis hin zur Prozessindustrie mit der Chemie als einem der großen Geschäftsfelder. Die Digitalisierung spielt dabei seit vielen Jahren eine zentrale Rolle, mit immer noch weiter wachsender Tendenz. Siemens weiß, um welche Herausforderungen es geht, nicht zuletzt aus den vielen Fabriken, in denen Siemens selbst produziert. Siemens weiß auch, welche Zeit und welche Investitionen nötig sind, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden.

Vor einigen Jahren wurden alle Tools, mit denen das Engi-neering von Automatisierungsprojekten unterstützt wird, im TIA-Portal zusammengefasst. Unter anderem mit einer einheitlichen Bedienoberfläche, die paralleles Arbeiten mit unterschiedlichen Software Tools bis hin zum Drag-and-drop über diese Tools hinweg erlaubt. Das hatte ein einheitliches Datenmodell und dieses wiederum eine völ-lige Neuprogrammierung all der ursprünglichen Tools erfordert. Vor einer ähnlichen technischen Herausforde-rung stehen wir bei der Realisierung der Digitalen Fabrik, in ihrem Umfang und in ihrer Auswirkung natürlich um Dimensionen größer. Die Computerunterstützung einzel-ner Arbeitsschritte allein reicht dazu nicht mehr aus. Die vielfältigen Barrieren zwischen den Gewerken, den Disziplinen und Fachbereichen müssen ebenfalls über-wunden werden. Und wenn die digitale Fabrik nicht auch die Lieferanten, deren Kompetenz und die weltweit ver-teilte Produktion beinhaltet, dann fehlen ihr entschei-dende Elemente.

Jedes Unternehmen hat andere Voraussetzungen und Ziele und muss für sich eine digitale Unternehmensplatt-form aufbauen. In erster Linie heißt das, eine alle Wertschöpfungsstufen umfassende durchgängige Daten- und Informa tionsplattform zu realisieren. Dafür gibt es bereits heute leistungsfähige und auch zukunftsfähige Systeme.

Die zur Realisierung eines digitalen Unternehmens ver-wendeten Technologien und Produkte werden auch wei-terhin vielfältig sein. Bestehende und neu zu schaffende Standards werden helfen, die Kosten trotzdem im Griff zu behalten. Diese Standards können natürlich nicht am grünen Tisch definiert werden, sondern sie müssen sich in erster Linie aus der Anwendungspraxis ergeben.

Die Digitalisierung der Industrie ist eine große Chance für neue geschäftliche Möglichkeiten. Sie wird von der deutschen Industrie ebenso gemeistert werden wie die Computerisierung in den Siebzigerjahren oder der bereits etablierte Internethandel. Pessimismus ist hier unange-bracht, ebenso die da und dort erkennbare Verbands- hysterie.

Die Prozessindustrie wird – und muss schon wegen ihrer Besonderheiten – einen eigenen Weg in der Digitalisie-rung gehen. Diese Ausgabe der atp edition gibt einen Ein-blick, wo die Unterschiede, aber auch die Gemeinsam-keiten liegen.

Digitale Fabrik – was daran ist real?

Anton S. Huber,

Chief Executive Officer of Siemens AG

Digital Factory Division

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Die Anlage wird digitalIntegrated Engineering von Planung bis Betrieb

ECKARD EBERLE (geb. 1965) ist CEO der Business Unit Process Automation bei Siemens. Nach dem Studium der Elektrotechnik/Automatisierungstechnik an der Universität Kaiserslautern begann er seine berufliche Karri-ere 1992 bei Siemens im Bereich Kraftwerksautomatisierung. Darauf folgten Aufgaben inner-halb der konzerneigenen Unternehmensberatung. Seit

2005 nahm er verschiedene Managementfunktionen im Industriebereich wahr.

Siemens AG, Östliche Rheinbrückenstr. 50, D-76187 Karlsruhe, E-Mail: eckard.eberle@siemens.com

HANS-GEORG KUMPFMÜLLER (geb. 1954) ist CTO der Division Process Industries and Drives bei Siemens und Chairman der FDI LLC sowie der neu gegründeten FieldComm Group. Nach dem Studium der Nachrichtentechnik war er ab 1984 bei Siemens Auto-mobiltechnik als Entwicklungs-leiter, Qualitätsleiter und Werks-leiter tätig. Ab 1997 dann Geschäftszweigleiter und CEO BU

im Bereich Automati sierungstechnik. Die Aufgabe als CTO der Division Process Industries and Drives übernahm er 2014.

Siemens AG, Östliche Rheinbrückenstr. 50, D-76187 Karlsruhe, E-Mail: hansgeorg.kumpfmueller@siemens.com

Industrie 4.0 hat die Diskussion über die Digitalisierung der Industrie auf ein neues Level gehoben. Produkt- und Plant-Lifecycle-Management (PLM) werden essenziell, wenn die durchgängige Digitalisierung der Wertschöpfung die Voraussetzung für die weitere Entwicklung ist. Im Beitrag beschreiben die Autoren, wie auf dem Weg dahin die Gren-zen zwischen den einzelnen Stufen der Planung und des Engineerings ebenso überwunden werden müssen wie die Bar-rieren, die sich heute noch zwischen den Disziplinen und Gewerken auftun. Siemens sieht sich dabei besonders heraus-gefordert, als Anbieter wie als Anwender von Industrie 4.0.

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Die Debatte um das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 als Kern-element der Hightechstrategie der Bundesregierung [1] hat der Diskussion um Innovationen im Anlagenbau zusätz-lichen Schwung gegeben [2]. Weder der Anlagenplaner noch der Betreiber (owner/operator) können es sich ange-sichts der globalen Wettbewerbsverschärfung leis ten, hin-sichtlich der Digitalisierung der Wertschöpfungsprozesse zu warten. Deshalb gibt es nicht nur die digitale Fabrik der Fertigungsindustrie, sondern auch die digitale Anlage, das Pendant auf der Seite der Prozessindustrie. Beide stehen als Vision für die Industrie der Zukunft, und beide bein-halten durchaus ähnliche Herausforderungen.

Hinter der deutschen Bezeichnung Industrie 4.0 steht der weiter gefasste Begriff Internet der Dinge oder Internet of Things (IoT) [3]; die gegenwärtige Umwälzung wird keinen Industriezweig auslassen. Die Digitalisierung hat – zusammen mit der Verfügbarkeit sehr kleiner und güns-tiger Sensoren und Aktoren, aber ebenso digitaler Kam-eras – einen Stand erreicht, der es erlaubt, nahezu jedes Ding mit den Menschen und mit anderen Dingen über das Internet und andere Netze kommunizieren zu lassen. Das betrifft fast alle Dinge und deshalb alle Bereiche der Gesellschaft, vom Auto über das Flugticket bis zum Herz-schrittmacher. Das Internet der Dinge erlaubt es uns heute, vielen Geräten eine weitgehende Autonomie zu geben, ihnen für gewisse Situationen eigenständige Ent-scheidungen und autonome Aktionen zu ermöglichen.

Dies gilt für Maschinen und Anlagen ebenso wie für Produkte, die mit ihnen erzeugt werden. Es ist dieser Teil des Internets der Dinge, der hierzulande den Namen Industrie 4.0 erhalten hat. Er steht für die vierte industri-elle Revolution, die nach der softwaregesteuerten Auto-matisierung seit den Sechzigerjahren die Vernetzung von softwaregesteuerten Maschinen und Produkten über das Internet oder andere Netze bringt. Industrie 4.0 bedeutet für die Fertigungsindustrie, dass Produkte zunehmend mit Intelligenz ausgestattet werden, die es ihnen später ge stattet, Situationen zu erkennen und daraus Maßnah-men abzuleiten. Ferner bedeutet es die Ausstattung der Maschinen und Produktionsanlagen mit einer Intelligenz, die immer mehr Schritte in Fertigung und Montage voll-automatisch oder sogar autonom ablaufen lassen kann. Die Grundlage hierfür ist eine digitale Fabrik, ein vollstän-diges, digitales Abbild der realen Fabrik.

Für die Prozessindustrie beinhaltet Industrie 4.0, dass die Anlage mit Intelligenz versehen wird. Über den gesamten Lebenszyklus der Anlage, von der Planung über die Inbe-triebnahme und den Betrieb bis zur Wartung, sollen immer mehr Schritte, die bisher manuell angestoßen wur-den, weitgehend ohne menschliches Eingreifen ablaufen.

Die Grundlage dafür ist ein vollständiges, digitales Abbild der realen Anlage, die digitale Anlage.

Prozessanlagen haben eine ungeheure Komplexität und ihre Lebenszyklen umfassen Jahrzehnte. Umso wichtiger ist es, dass auch hier an die Stelle teurer physikalischer Tests und Prototypen Simulation tritt, und zwar von der virtuellen Inbetriebnahme über die betriebsparallele Simu-lation bis zur Fehleridentifikation und Optimierung der Anlage; dass die wiederholte und deshalb fehlerträchtige Eingabe von Daten, die an anderer Stelle schon erfasst sind, durch eine durchgängige digitale Prozesskette ersetzt wird; dass Dokumente nicht in Papierform, sondern online und auf dem aktuellen Stand der Anlage oder ihrer Planung verfügbar sind. Die benötigten Speicher- und Rechenkapazitäten sind vorhanden. Mit heutigen Softwaretechnologien können die Anlagen der Prozessindustrie zu digitalen Anlagen werden.

Der Nutzen liegt auf der Hand: kürzere, sicherere Planung, paralleles Engineering, schnelle Inbetriebnahme, sicherer Betrieb und aktuelle Dokumentation. Den Nutzen haben dabei alle Beteiligten: die Planer, die Zulieferer von Feldgeräten und Instrumenten, die Lieferanten von Anlageneinheiten und natürlich die Betreiber.

Siemens ist hier in mehrfacher Hinsicht aktiv und vertritt eine klare Position zu Industrie 4.0 [4]. Zahlreiche Unternehmen des Konzerns sind selbst in etlichen Branchen der diskreten Fertigung und des verfahrenstech-nischen Anlagenbaus zu Hause. Für die digitale Anlage ist also Siemens selbst herausgefordert als Anwender. Gleich-zeitig hat Siemens die Softwaretools im Portfolio, um die digitale Anlage Realität werden zu lassen. Siemens ist also Anwender und Anbieter der digitalen Anlage in einem. Diese ganzheitliche Sichtweise beeinflusst entscheidend die Entwicklung der Werkzeuge, die Siemens seinen Kun-den bietet.

Trotz der unbestrittenen Vorteile der digitalen Anlage bedarf es aber beträchtlicher Anstrengungen, Investi-tionen und Zeit für ihre Realisierung, denn die Digitalisie-rung kann nicht wie eine neue Software gekauft werden. Sie muss gewissermaßen bei laufendem Betrieb erfolgen, das heißt, sie muss schrittweise funktionieren. Das Über-nehmen aller vorhandenen Dokumente beispielsweise einer seit 20 Jahren laufenden Anlage in ein neues System ist nicht praktikabel. Schließlich müssten alle relevanten Anlageninformationen – ob digital oder auf Papier – über-nommen und in den richtigen Kontext gebracht werden und allen Projektbeteiligten zur Verfügung stehen.

Für eine realistische Einschätzung der Umsetzungs-möglichkeiten lohnt deshalb ein genauerer Blick auf die einzelnen Abschnitte eines Anlagenlebenszyklus, wie sie

Unternehmen auf dem Weg zur Industrie 4.0

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sich heute darstellen und wie sie im Rahmen einer digi-talen Anlage aussehen können.

1. Digitale Planung heißt Parallelisierung

Wenn die Forschung in den Labors abgeschlossen und die Rezeptur definiert ist, beginnt mit dem Konzeptdesign die Planungsphase eines Anlagenprojektes. Aus den Anforde-rungen des Auftraggebers und den Laborergebnissen wird ein erstes Konzept des Prozesses und der Hardware ent-worfen. Aus wirtschaftlicher Sicht kommt der frühen Pla-nungsphase einer Anlage ein hoher Stellenwert zu. Schon zu Beginn des Engineerings, in der Front-End-Engineering- und Design-Phase (FEED), werden bis zu 80 Prozent der Gesamtkosten eines Anlagenprojektes definiert. Alle Ent-scheidungen, die hier getroffen werden, wirken sich maßgeblich auf die nachfolgenden Planungsschritte sowie die Sicherheit, Leistung und Kosteneffizienz der gesamten Anlage aus. Hier entstehende Fehler ziehen sich durch die gesamte weitere Planung, wenn sie nicht behoben werden. Daraus können aufwendige und kostspielige Kor-rekturen resultieren, möglicherweise sogar Anlagen- oder Personenschäden. Die Komplexität des folgenden Engi-neeringprozesses setzt eine exakte Planung, ein geringes Risikopotenzial und ineinandergreifende Abläufe voraus.

Während des darauffolgenden Basic- und Detail-Enginee-rings wirken viele Einzelgewerke ineinander. In diesem

hochsensiblen Bereich werden daher höchste Anforde-rungen an die Digitalisierung gestellt. Daten, Geräte und Strukturen müssen schlüssig, verständlich und verknüpft dargestellt werden. Durch die wachsende Komplexität der Anlagen erhöht sich auch die zu handhabende Daten-menge. Die Gefahr von Datenverlusten an den Schnitt-stellen ist daher besonders groß [5].

Eine Schlüsselrolle kommt dann der Inbetriebnahme zu – dem Übergang von der Planung in den Anlagenbetrieb. Das Datenmodell, das in der vorhergehenden Planungs-phase oft durch mehrere beteiligte Subkontraktoren erzeugt wurde, wird am Stichtag der Inbetriebnahme übergeben. Die dabei aus verschiedensten Quellen stam-menden Daten und Dokumente müssen so schnell wie möglich im laufenden Betrieb etwa für anstehende War-tungen, Anlagenbegehungen und Audits zu nutzen sein. Da die Länge der Betriebs phase einer Industrieanlage oft das Zehnfache ihrer Planungs-und Bauphase beträgt, erfordert dies, ein mehrstufiges, langlebiges Lösungskon-zept strategisch zu planen.

In den vergangenen 50 Jahren haben sich dafür Abläufe herausgebildet und bewährt, die weitgehend sequenziell organisiert sind. Die Ergebnisse eines Arbeitsschrittes müssen dokumentiert und freigegeben vorliegen, bevor der nächste angestoßen wird. Beteiligt sind dabei Ver-fahrenstechnik, Mechanik, Elektrik und Elektronik, Hydraulik, Sicherheit und Compliance, Procurement und viele andere Bereiche, nicht zuletzt die Automatisierung

Bild 1: Integriertes Engineering ermöglicht parallele Workflows

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für das Prozessleitsystem. Alle arbeiten mit ihren Spezial-werkzeugen, meist von verschiedenen Herstellern, meist in speziellen Formaten, die einen Austausch der Daten schwer oder sogar unmöglich machen. In jedem Fall müs-sen aufwendige Schnittstellen installiert und mit jeder neuen Softwareversion eines beteiligten Systems aktuali-siert werden. Diese Problematik wird dadurch verstärkt, dass neben dem EPC-Unternehmen (engineering procure-ment construction), das mit der Projektleitung beauftragt wurde, zahlreiche weitere Partner und Lieferanten beteiligt sind. Sie liefern Geräte, Instrumente oder Package Units, für die sie ihrerseits diverse Werkzeuge in Entwicklung und Fertigung genutzt haben.

Die Vision der digitalen Anlage beinhaltet nun im Kern eine gemeinsame Datenbasis, die alle Elemente der Anlage in digitaler Form umfasst. Die Daten aller Komponenten und Prozesse stehen hier miteinander in Beziehung. Die Pumpe kennt ihre Ventile, Rohre, Anschlüsse, elektrischen Schaltpläne und die Steuerungstechnik. Jede Änderung eines der Bestandteile im Zuge des Engineerings wird an einer einzigen Stelle registriert und dokumentiert. Dazu können die Daten entweder mit derselben Software erzeugt worden sein oder sie müssen in der Datenbasis miteinander synchronisiert werden.

Solche Bedingungen wirken sich auf die gesamte Planung positiv aus:

• Engineeringdaten eines Gewerks können bereits vor der Freigabe mit Ingenieuren anderer Bereiche geteilt werden. Durch die gemeinsame Datenbasis ergibt sich die Möglichkeit einer Parallelisierung des Engineerings und damit von Zeiteinsparungen, siehe Bild 1.

• Am Ende jeder Phase der Planung stehen bereits doku-mentierte Ergebnisse. Die aufwendige Phase der Doku-mentation wird erheblich verkürzt.

• Je nach Funktionalität der beteiligten Software-werkzeuge erlaubt das digitale Modell der Anlage ver-schiedene Formen der Simulation und damit das Testen von Anlagenteilen vor dem eigentlichen Testlauf.

• Instrumente und Geräte können bereits online aus-gewählt und in die Planung einbezogen werden.

2. Auf dem Weg zur virtuellen Inbetriebnahme

Nach erfolgreichem Testlauf und Abnahme wird die Anlage beim Owner/Operator aufgebaut und in Betrieb genommen. Dazu gehört die Schulung der Mitarbeiter des Betreibers durch den EPC-Partner.

Bild 2: Virtuelles Begehen einer Anlage

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Erstens kann ein Modell der Anlage – beispielsweise in 3D – erlauben, bereits vor der physikalischen Installation die Mitarbeiter des Betreibers zu trainieren. Eine digitale Anlage gestattet heute das virtuelle Begehen und Unter-suchen aller Komponenten, siehe Bild 2. Zweitens können auf demselben Weg Servicemitarbeiter für Wartungsar-beiten geschult werden. Und schließlich lassen sich we sentliche Teile der Inbetriebnahme virtuell vorweg-nehmen, wobei die für die reale Anlage geplante Steuerungstechnik genutzt wird.

Es ist nicht die wichtigste und längste Phase des Projektes, aber hier kann das EPC-Unternehmen punkten, wenn es sich auf eine digitale Planung stützt. Bereits heute bestäti-gen Vertreter der Industrie, dass dies zu einem wettbe-werbsentscheidenden Kriterium geworden ist.

3. Das Verschmelzen von digitaler und realer Anlage

Einmal in Betrieb sollte die Anlage möglichst viele Jahre laufen, ohne dass jemand eingreifen muss. Jede Ände-rung, jeder Eingriff ist unter Umständen mit einem vor-übergehenden Anlagenstopp und Stillstand verbunden. Das Risiko, dass eine Maßnahme neben dem erwünschten

Effekt auch unerwünschte Auswirkungen hat, die dem Geschäftserfolg nicht dienlich sind, wird am besten ver-mieden, indem der Lauf der Anlage nicht gestört wird.

Aber so verständlich der Wunsch, so klar ist, dass er un realistisch ist. Der Anlagenprozess ist nicht nur hoch-komplex, er ist höchst dynamisch. Kleinste Abweichungen von Werten an einzelnen Messstellen können Auswirkungen haben, die bis zum Stopp der ganzen Anlage führen; nicht zuletzt, weil mit Fehlfunktionen Gefahren für Umwelt und Menschen verbunden sein können.

Deshalb wird die Anlage permanent überwacht. Unzählige Messstationen, Sensoren und Kameras liefern zu jedem Zeitpunkt Information über Funktion und Zustände aller Anlagenteile an den Leitstand. Dort muss im Zweifel entschieden werden, welche Information zu welchen Maßnahmen führt.

Heute ist bereits sehr viel Information vorhanden, und der Leitstand einer Prozessanlage, siehe Bild 3, gleicht oft dem Cockpit eines Flugzeugs, und doch beginnt im Ernst-fall die Suche nach den Dokumenten aus Papier, in denen Ursachen, beteiligte Komponenten, Ersatzteillieferanten und Wartungsvorschriften festgehalten sind. Dafür wird viel Zeit verbraucht. Oft kommt der Service zu spät, denn

Bild 3: Blick in einen modernen Prozessleitstand

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Schwachstellen hätten entdeckt und beseitigt werden können, bevor der Prozess gestoppt werden musste.

Die digitale Anlage bietet hier einen Paradigmenwechsel: Jede Information, die gebraucht wird, ist in derselben Datenbasis verfügbar, nicht nur in Ordnern mit Papier-dokumenten. Sie ist – alle Komponenten als digitale Objekte – miteinander verknüpft und zeigt auf alle jeweils verknüpften Geräte, siehe Bild 4. Mit 3D-Unterstützung lässt sich auch an schwer zugänglichen Stellen der Anlage sofort das Problemteil finden und identifizieren, Bild 5. Selbst die nötigen Maßnahmen, eventuell erforderliche Demontage- und Montageschritte, lassen sich in virtueller Realität abbilden und als Wartungsanleitung nutzen.

Die digitale Anlage hilft aber nicht nur Zeit zu sparen, wenn eine Fehlfunktion im Betrieb der realen Anlage auf-tritt. Jede Maßnahme, jeder Teiletausch, jede Para-meteränderung im laufenden Betrieb muss dokumentiert werden. Ohne digitales Modell geschieht das heute in Papierform oder in einer elektronischen Ablage, die aber nur in seltensten Fällen mit den Planungsdaten verknüpft ist. Das führt dazu, dass die Anlage sich, je länger sie in Betrieb ist, umso weiter von den ursprünglichen

Planungsdaten entfernt. Mit digitalem Modell, mit durch-gängiger digitaler Prozesskette hinter der realen, wird jede Aktivität an der richtigen Stelle in derselben Daten-bank, im selben Datensatz registriert, der aus der Planung kam; Planungsdaten und reale Anlage sind eins.

Die Optimierung von Anlagen erfolgt in aller Regel in Form der Modernisierung einzelner Anlagenteile oder Kompo-nenten. Im Kleinen erfordert jede Modernisierung wieder das Durchlaufen der bereits beschriebenen Planungs-, Test- und Freigabephasen. Ohne digitales Mo dell gibt es zwar viele Daten aus dem laufenden Betrieb der betreffen-den Komponente, aber sie müssen in Form von Anforder-ungen wieder in ein Lastenheft einfließen. Vieles wird erneut eingegeben, vor allem auf der Seite der Planung. Im Falle der digitalen Anlage können die Daten der vorhan-denen Komponente als Basis der Modernisierung verwen-det werden. Die Planer wiederum können auf ihre Pla-nungsdaten zurückgreifen und die erprobten Teile der Komponente unverändert erneut nutzen.

In den letzten Jahren sind viele Betreiber in der Prozess-industrie dazu übergegangen, Modernisierungsprojekte als Pilotprojekte für die digitale Anlage zu fahren. Der

Bild 4: Objektorientiertes Datenmanagement

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Einsatz durchgängiger Softwareunterstützung und konsis-tenter Datenketten lässt sich in einem überschaubaren Rahmen testen und erproben. Viele Teile einer Großan-lage, wie Reaktoren oder Mahl- und Mischanlagen, sind von vergleichbarer Komplexität. Aber sie gestatten einen unmittelbaren Vergleich von alt und neu, ermöglichen ein schnelles Sammeln von Erfahrungen mit den neuen Methoden.

Ein Beispiel: Sanofi-Aventis hat die erste Anwendung eines integrierten Engineerings von prozessleittech-nischen und verfahrenstechnischen Funktionen gemein-sam mit Siemens an einem 3000 Liter fassenden Ansatz-kessel für die pharmazeutische Herstellung in H600 im Industriepark Frankfurt-Höchst durchgeführt. Diese Anlage ist kompakt und überschaubar, beinhaltet aber gleichzeitig viele typische Aggregate und Abläufe, sodass sie für einen Proof of Concept des integrierten Enginee-rings gut geeignet war. Während der Arbeiten an der realen Anlage in Frankfurt befasst sich ein Team bei Siemens in Karlsruhe mit einer Schattenanlage, um die Funktionalitäten für den bidirektionalen Datentransfer

von Engineeringdaten zwischen Planung und Prozessleit-technik weiterzuentwickeln.

Die Vorteile der digitalen Anlage im Betrieb:

• Sicherer Zugriff auf Informationen über alle Teile der Anlage

• Verkürzung der Servicezeiten

• Vermeidung beziehungsweise Verkürzung der Ausfallzeiten

• Vollständige und aktuelle Dokumentation

• Wiederverwendung von erprobten Teilen für die Modernisierung

4. Prozessindustrie und diskrete Fertigung: zweimal PLM

In der Fertigungs- wie in der Prozessindustrie stoßen wir auf das Kürzel PLM. In der diskreten Fertigung steht dies

Bild 5: Die virtuelle Anlage hilft, Probleme schneller zu identifizieren

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Bild 6: Plant Lifecycle Management und Product Lifecycle Management greifen ineinander

für Product Lifecycle Management, in der Prozessindustrie für Plant Lifecycle Management.

In der Fertigungsindustrie ist PLM das Bestreben, von der ersten Produktidee über die Produktentwicklung, Produk-tionsplanung und Fertigung bis hin zum Betrieb oder Ein-satz des Produktes beim Kunden alle Daten miteinander zu verknüpfen. Das Management der Daten über den gesamten Produktlebenszyklus mithilfe einer einzigen Datenbank verspricht so viele Vorteile für den Pro-duzenten wie für seine Zulieferer und Partner, dass PLM bereits in vielen Unternehmen ein eigener Verantwor-tungsbereich ist. Die vollständige Digitalisierung des Produktes soll sich in einer durchgängigen Datenkette spiegeln, die ihrerseits ein Abbild der tatsächlichen Wertschöpfungskette darstellt.

In der Prozessindustrie steht PLM für ein global integrierbares und übergreifendes Softwarelösungskonzept, das einen lücken losen Informationsfluss von projektrelevanten Daten über alle Unternehmensebenen und Projektphasen hinweg ermöglicht. Diese umfassende Datendurchgängigkeit ist der Schlüssel zu Wirtschaftlichkeit und Effizienz, denn Rationali-sierungseffekte resultieren vor allem aus einem optimalen IT-gestützten Informationsfluss über den gesamten Lebens-zyklus einer Anlage, aus einer weitreichenden Standardisie- rung der Daten sowie umfangreichen Automatismen.

Wenn diese beiden Ansätze verwirklicht werden, siehe Bild 6, stehen dem Anlagenplaner die Daten des Geräteher stellers in

digitaler, simulierbarer Form schon für die Planung zur Verfü-gung. Umgekehrt können die Ergebnisse aus Testlauf und Betrieb der Anlage auch für das gelieferte Gerät Daten enthalten, die beispielsweise für eine Modernisierung vom Gerätehersteller unmittelbar genutzt werden könnten.

PLM ist für die gesamte Industrie die Herausforderung, die Digitalisierung zum Aufbau einer virtuellen Wertschöp-fungskette zu nutzen, in der jeder Schritt der realen Wertschöpfung simuliert, berechnet, virtuell – also kostengünstig und mit erheblich geringerem Zeitaufwand als physikalisch – getestet und vor allem dokumentiert werden kann. Es ist die Voraussetzung dafür, dass die Ergebnisse von Prozess und Fertigung so intelligent sind, wie es die Vision Industrie 4.0 verlangt. Ohne diese voll-ständige Digitalisierung wird es weder ein wirtschaftlich erfolgreiches Produktgedächtnis geben noch eine weiter-führende Autonomisierung einzelner Schritte der Wertschöpfung.

5. Siemens und die Digital-Enterprise-Plattform

Theoretisch lässt sich relativ leicht und rasch beschreiben, wie die digitale Anlage aussehen wird und was ihre Vor-teile sind. In der Praxis steht die Industrie aber vor einem Dilemma. Die hohen Kosten, die für die weitergehende Digitalisierung aufgebracht werden müssen, der große Aufwand, der auch für die Ausbildung der Mitarbeiter zu investieren ist – sie rechnen sich nicht so schnell, wie es den Entscheidungsträgern recht wäre. Denn der Wandel

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muss evolutionär vonstattengehen; mit kleinen Pilotpro-jekten auf dem Wege der Modernisierung, schrittweise, in vertretbaren Portionen, die im laufenden Anlagenbetrieb zu verdauen sind. Das Ganze ist zu groß für einen radi-kalen Wechsel zu den neuen Methoden. Viel Vorarbeit ist erforderlich.

Für die durchgängige Digitalisierung muss die Industrie ihre Werkzeuge und Methoden auf eine gemeinsame Basis stellen. Das bedeutet für viele der vorhandenen Daten- und Verfahrensmodelle unter Umständen, dass sie ersetzt werden. Ohne eine gemeinsame Datenbasis wird die nötige Durchgängigkeit nicht zu haben sein. Erforderlich ist eine Plattform, die es erlaubt, alle Softwaretools aller beteiligten Bereiche und Teile des weltweit erweiterten Unternehmens zu synchronisieren. Da es derzeit – und vermutlich auch künftig – kein einzelnes System gibt, das alle Aufgaben und Anforderungen abzudecken vermag, müssen diese unternehmensweiten und sogar unterneh-mensübergreifenden Plattformen solcher Art sein, dass sie die Daten unterschiedlichster Systeme zu integrieren ver-mögen. Sie müssen offen sein und nicht proprietär. Das verlangt den Einsatz von Standards, die es zum großen Teil schon gibt und über die sich die Industrie zum Teil

möglichst rasch verständigen sollte. Bereits im Dezember 2013 wurde in diesem Zusammenhang von DKE/VDE eine Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0 [5] veröffent-licht, die alle betroffenen Themenbereiche detailliert beschreibt und konkrete Handlungsempfehlungen für die Normung zu Industrie 4.0 enthält.

Dabei ist es notwendig, den besonderen Belangen und Anforderungen der Prozess- und Fertigungsindustrie in vollem Umfang Rechnung zu tragen. Dem wird Siemens nun gerecht durch die Gliederung des Gesamtbereichs Industrie in die Process Industries and Drive Division einer-seits und die Division Digital Factory andererseits. Siemens hat in den vergangenen Jahren – getrieben durch die Anforderungen der eigenen Werke wie die der Kunden aus diskreter Fertigung und Prozessindustrie – in beiden Divisionen ein beachtliches Instrumentarium an Industriesoftware aufgebaut, nicht zuletzt rund um Comos und Siemens PLM Software.

Mit der Integration von Comos und dem dezentralen Prozess-leitsystem Simatic PCS 7 ist ein entscheidender Brücken-schlag zwischen Engineering und Automatisierung und damit auch zwischen der Engineering- und der Betriebs-phase gelungen. Diese Integration ermöglicht ein

Bild 7: Bidirektionaler Datenaustausch zwischen Engineering und Feldgeräteeinsatz

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ganz heitliches Engineering über alle Planungsphasen einer Industrieanlage mit weniger Schnittstellen. Auf Knopfdruck wird die gesamte Anlagenstruktur aus den Engineering-Daten im Leitsystem generiert, was das Engi-neering der Automatisierung vereinfacht und den Zeitauf-wand enorm reduziert. Umgekehrt werden Änderungen in der Automatisierung während des Betriebs – beispiels-weise der Austausch von Feldgeräten – von Simatic PCS 7 zurückgespielt nach Comos. So wird die Datenbasis im Engineering sofort aktualisiert, und diese Aktualisierung umfasst ebenso die gesamte Dokumentation der Anlage. Das PIA Lifecycle-Portal erlaubt zusätzlich den Onlinezu-griff auf Geräte und Instrumente, wobei die Vorschläge automatisch aus den Planungsdaten von Comos generiert werden, siehe Bild 7. Mit Simit steht schließlich ein Werkzeug zur Unterstützung von Test und virtueller In betriebnahme zur Verfügung.

Mit dem 3D Virtual Reality Viewer Comos Walkinside kön-nen außerdem die in den Engineeringphasen erzeugten 3D-Daten in allen Lebenszyklusphasen der Anlage, wie Betrieb, Wartungsplanung, Simulation und Workforce Training wieder verwendet werden. Anlagenbetreiber und Ingenieure erhalten so eine realistische Darstellung kom-plexer Anlagenmodelle, die den Eindruck vermitteln, phy-sisch vor Ort zu sein. Zu den typischen Anwendungs-beispielen gehören Projektfortschrittskontrollen, Problemlösungssitzungen, immersive Off-Site-Trainings, Bereitstellung von räumlichem Kontext für Engineering- und Instandhaltungsaufgaben sowie Entscheidungsunter-stützung in Notfällen.

Jeder Schritt auf dem Weg zu solch integriertem Enginee-ring ist dabei für sich von großem Nutzen: Einmal erzeugte Modelle von einzelnen Instrumenten oder Geräten kön-nen – im Falle der erfolgreichen Erprobung – beliebig oft und für unterschiedliche Anlagen zum Einsatz kommen. Ein Gerät muss wegen kleiner Änderungen nicht neu konstruiert werden, wenn minimale Änderungen eines vorhandenen digitalen Modells zum Ziel führen. Die

Ergebnisse eines digitalen Anlagenplanes lassen sich zur virtuellen Begehung, etwa im Training, nutzen, auch wenn der Brückenschlag zur Prozessleittechnik noch nicht realisiert wurde. Die durchgängige Digitalisierung erfolgt in Schritten und Etappen, die natürlich ein strategisches Ziel verfolgen und ineinandergreifen müssen. Aber jeder Einzelschritt zeigt bereits unmittelbar große Wirkung.

Mit dem Schwerpunkt der diskreten Fertigung unterstützt Siemens PLM Software das Management der digitalen Fab-rik über den gesamten Produkt- und Produktionslebens-zyklus. Mit dem Schwerpunkt der Prozessindustrie ermög-licht Siemens über Comos und Simatic PCS 7 das integrierte Engineering von Anlagen.

Zusammenfassung

Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt der Bundesregierung, das hohe Wellen schlägt. Es hat die Unternehmer dafür sensibilisiert, was das Internet der Dinge für einen welt-weit führenden Industriestandort wie Deutschland bedeu-ten kann, einen Standort, der sich auf die Unternehmen der Fertigungsindustrie ebenso stützt wie auf die Prozess-industrie. Beide Industrien stehen vor der Herausforde-rung, die Digitalisierung einen großen Schritt voran-zutreiben. Sie müssen ihre Unternehmen mit einer zum realen Engineering und Betrieb parallelen digitalen Welt ausrüsten, die von der Idee bis zum letzten Abschalten alle Phasen der Lebenszyklen ihrer Produkte und Anlagen umfasst.

Hier wie dort geht es um den gemeinsam von den Anbie-tern mit ihren Kunden zu bewerkstelligenden Aufbau von Digital-Enterprise-Plattformen, die offen sind für die vielen in der Industrie eingesetzten Werkzeuge und die deren Daten zu integrieren vermögen. Siemens ist in diesem Zusammenhang beides: Anbieter und Anwender. Daraus entsteht eine ganzheitliche Sichtweise, die uns bei allen Entwicklungen in Richtung der Industrie der Zukunft antreibt und ihre Grundlage ist.

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Referenzen

[1] Promotorengruppe Kommunikation der Forsch ungsunion Wirtschaft – Wissenschaft: Umsetzungs empfehlungen für das Zukunfts-projekt Industrie 4.0 – Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0. acatech 2013

[2] Mühlenkamp, S.; Back, M.: Industrie 4.0 ist Ideen-treiber für Prozessindustrie http://www.process.vogel.de/automatisierung_prozessleittechnik/articles/424766/

[3] Sendler, U.; Baum, G.; Borcherding, H.; Broy, M.; Eigner, M.; Huber, A.S.; Kohler, H.K.; Russwurm, S.;

Stümpfle, M.: Industrie 4.0 – Beherrschung der industriellen Komplexität mit SysLM. Springer Vieweg, 2013

[4] Bauernhansl, Th.; ten Hompel, M.; Vogel-Heuser, B.: Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik. Springer Vieweg, 2014

[5] VDE: Deutsche Normungsroadmap Industrie 4.0. Version 1.0, http://www.dke.de/de/std/Seiten/NormungsRoadmaps.aspx

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