Vom klassischen Leitsystem hin zu einer intelligenten, S88-basierten Produktionsarchitektur
Im Zuge des Ausbaus eines CP-Bereichs am Standort Poing stand die
REMA TIP TOP AG vor der Aufgabe, ihre Produktionsarchitektur grundlegend weiterzuentwickeln.
Die Anlage wurde vollständig neu konzipiert und in enger Zusammenarbeit mit Anlagenbauern realisiert.
Schnittstellen zu Fremdsteuerungen waren dabei kein Zusatz, sondern von Beginn an integraler Bestandteil der Systemarchitektur.
Im Mittelpunkt stand die Frage, wie sich eine durchgängige, moderne SPS Ablaufsteuerung in eine Produktionsumgebung integrieren lässt, die bisher durch heterogene Strukturen, getrennte Datenhaltungen und unterschiedliche Automatisierungsgrade geprägt war.
Ziel war es, die bestehende Architektur in eine intelligente, S88-basierte Gesamtstruktur zu überführen.
1. Ausgangssituation
Die Ausgangssituation war durch eine Reihe technischer und struktureller Herausforderungen gekennzeichnet.
In der bestehenden Umgebung arbeiteten unterschiedliche Anlagen mit heterogenen Steuerungsstrukturen.
Teilweise fehlte eine Integration zwischen Linien und Systemen. Produktionsabläufe waren nicht durchgängig digital abgebildet, und Daten lagen verteilt in SPS, Visualisierung und Datenbanken vor.
Eine durchgängige SPS Ablaufsteuerung über die Gesamtstruktur hinweg war damit in dieser Form nicht gegeben.
Die wesentlichen Ausgangspunkte waren:
- Unterschiedliche Anlagen mit heterogenen Steuerungsstrukturen
- Teilweise fehlte eine Integration zwischen Linien und Systemen
- Produktionsabläufe nicht durchgängig digital abgebildet
- Daten lagen verteilt in SPS, Visualisierung und Datenbanken
Warum proCflex?
Für die Umsetzung wurde proCflex als geeignete Grundlage betrachtet. Die Standards sind nach europäischen Normen mit CE-Konformität aufgebaut und können in jedem Land nach diesen Normen aufgestellt und betrieben werden.
Vorteile:
- Automatisierte und flexible Abläufe in Dosier- und Mischanlagen können den Personalbedarf in der Anlage reduzieren.
- Die Lösung ist auf MTP-Fähigkeit ausgelegt und unterstützt damit modulare Integrationsansätze.
Zusätzlich zeigte sich eine strukturelle Einschränkung bestehender Batch-Systeme. Gängige Lösungen wie SIMATIC Batch oder InBatch bilden die Ablaufsteuerung primär serverbasiert ab.
Dies führte zu erhöhtem System-Overhead, zusätzlichen Signallaufzeiten sowie zu einer starken Abhängigkeit von zentralen Instanzen.
Gleichzeitig mussten SPS und Visualisierung bislang aufwendig manuell programmiert werden, was den Prozess zeitintensiv und fehleranfällig machte.
Vor diesem Hintergrund rückte die SPS Ablaufsteuerung als alternativer Ansatz in den Fokus.
Die Nachteile der bestehenden konventionellen Batchsysteme zeigten sich insbesondere in folgenden Punkten:
- Hoher Abstimmungsaufwand zwischen Anlagen
- Eingeschränkte Transparenz im Produktionsprozess
- Potenzial für Störungen und Stillstände
Die zentrale Herausforderung bestand deshalb darin, eine durchgängige, integrierte Steuerungs- und Datenstruktur zu schaffen, die bestehende Systemgrenzen überwindet und gleichzeitig neue Wege in der Batch-Automatisierung ermöglicht. Genau an dieser Stelle setzt die spätere SPS Ablaufsteuerung in der neuen Architektur an.
2. Lösung mit Innovationen
Die vollständige Ladung von S88-konformen Ablaufsteuerungen direkt in die SPS zum Auftragsstart, kombiniert mit einem zentralen Deployment, eröffnet neue Potenziale. Dieser Ansatz der SPS Ablaufsteuerung verbindet die Vorteile einer standardisierten Batchsteuerung mit einer verlagerten Ausführung auf die Steuerungsebene.
Daraus ergeben sich die folgenden Potenziale:
- Die Lösung unterstützt flexible Fertigungsvorschriften für unterschiedliche Produktionsanforderungen.
- Geringere Latenzen reduzieren die Reaktionszeiten im Systemverbund.
- Eine geringere Systemabhängigkeit erhöht die Stabilität der Prozessausführung.
- Der Ansatz senkt Prüf- und Engineeringkosten im Projektverlauf.
Architekturwechsel und Systemgrenzen
Der Wechsel von einer serverbasierten Ablaufsteuerung hin zu einer SPS-zentrierten Client-Architektur stellte eine zentrale Herausforderung dar.
Dabei mussten die begrenzten Ressourcen der SPS berücksichtigt und gleichzeitig die Kommunikationslast zwischen den Anlagenteilen auf ein Minimum reduziert werden.
Die SPS Ablaufsteuerung war in diesem Zusammenhang nicht nur eine technische Umstellung, sondern auch ein grundlegender Architekturwechsel.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die bislang getrennten Datenhaltungen in Datenbank, Visualisierung und SPS in einer einheitlichen Deploy-Engine zusammenführen lassen, ohne dabei:
- die Flexibilität für unterschiedliche Fertigungsvorschriften zu verlieren
- oder die Anforderungen des Standards ISA-88 (S88) zu verletzen
Darüber hinaus werden die Abhängigkeiten von Drittanbietern und deren Systemgrenzen umgangen.
So wurde eine performante, skalierbare und standardkonforme Lösung entwickelt, die flexibel einsetzbar ist, unterschiedliche Anlagen integrieren kann und gleichzeitig den Engineering-Aufwand nachhaltig reduziert. Die SPS Ablaufsteuerung ist dabei ein zentraler Bestandteil dieser Lösung.
Zielsetzung
Ziel des Projekts war es, die neuen Produktionsanlagen mit diskontinuierlicher, chargenorientierter Fertigung grundlegend zu modernisieren und in eine flexible, digital gesteuerte Gesamtarchitektur zu überführen.
Die Ausgangssituation war geprägt durch starre Fertigungsvorschriften, begrenzte Automatisierungsgrade sowie voneinander getrennte Systeme in Steuerung, Visualisierung und Leitebene.
Diese fragmentierte Struktur führte zu hohem manuellem Aufwand, eingeschränkter Flexibilität und einem erhöhten Fehlerpotenzial bei Änderungen oder neuen Projekten.
Um diese Herausforderungen zu lösen, wurde das Ziel verfolgt, die Anlagen konsequent nach dem Standard ISA-88 (S88) zu strukturieren.
Hierfür wurden die Prozesse in Units, Phasen und Transfers gegliedert und die Grundlage für eine durchgängige Automatisierung geschaffen.
Die Struktur wurde konsequent durchgezogen. Für die SPS Ablaufsteuerung war diese konsistente Strukturierung eine wesentliche Voraussetzung.
Von zentraler Bedeutung war dabei eine gleiche und durchgängige Benennung über alle beteiligten Ebenen hinweg:
- Die Benennung wurde bei Ventilen, Motoren, Sensoren und Aktoren mit dem Anlagenbauer durchgängig abgestimmt.
- Auch im Elektroplan wurde eine einheitliche Benennung konsequent umgesetzt.
- Das Leitsystem proCflex verwendet dieselbe durchgängige Benennungslogik.
- In Datenbank, SCADA und Visualisierung wurde die Benennung ebenfalls einheitlich geführt.
Ein zentraler Bestandteil des Vorhabens war darüber hinaus die Einführung einer einheitlichen Datenbasis im MES-System.
Während zuvor Steuerungsdaten (SPS), Visualisierungsinhalte und Leitsysteminformationen in separaten Systemen verwaltet wurden, sollten diese künftig im proCflex MES gebündelt und zentral gesteuert werden.
Darauf aufbauend wurde angestrebt, Engineering-Prozesse weitgehend zu automatisieren. Über eine „Deploy-to-Clients“-Logik sollten Steuerungs- und Visualisierungsstrukturen automatisch generiert und in die jeweiligen Systeme übertragen werden.
Dadurch sollte die SPS Ablaufsteuerung nicht nur technisch konsistent umgesetzt, sondern auch effizient ausgerollt werden.
Das Ergebnis:
- Die Anlage kann in der Betriebsart „Automatik“ vollautomatisiert betrieben werden.
- Manuelle Eingriffe werden im laufenden Betrieb deutlich reduziert.
- Gleichzeitig erhöht die Lösung die Flexibilität bei Rezepturen und Prozessen.
- Bei neuen Projekten kann der Engineering-Aufwand um bis zu zwei Drittel sinken.
Damit schließt das Vorhaben gezielt die Lücke zwischen klassischer, statischer Batch-Produktion und einer modernen, skalierbaren und digital integrierten Fertigungsumgebung mit SPS Ablaufsteuerung.
3. Die Lösung: S88-basierte Automatisierungsarchitektur mit neuem proCflex
Für die Umsetzung wurde das bestehende Konzept um eine innovative Systemarchitektur erweitert. Im Kern verbindet diese Lösung ein zentrales Leitsystem, eine S88-konforme Strukturierung, eine direkte SPS Ablaufsteuerung, eine zentrale Deploy-Logik sowie eine durchgängige Visualisierung und Linienintegration.
1. Zentrales Leitsystem (proCflex)
Das Leitsystem übernimmt die vollständige Koordination der Produktion. Dazu gehören:
- Material-, Rezept- und Auftragsverwaltung
- Auftragssteuerung
- Automatische Verwiegung und Dosierung
- Prozessdatenerfassung und Chargenprotokolle
- Anbindung an ERP-System (Oxaion)
Das Ergebnis ist eine zentrale Datenbasis im MES statt verteilter Systeme. Damit entsteht die Grundlage für eine konsistente Prozessführung und für die Einbindung der SPS Ablaufsteuerung in eine einheitliche Datenstruktur.
2. Strukturierung nach ISA-88 (S88)
Ein entscheidender Innovationsschritt war die konsequente Zerlegung der Anlage in standardisierte Einheiten nach ISA-88. Die Struktur wurde unterteilt in:
- Units (Anlagenteile)
- Phasen (Prozessschritte)
- Transfers (Materialbewegungen)
Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile:
- Die Struktur ersetzt individuelle Programmierung durch ein klar definiertes Modell.
- Wiederverwendbare Prozesslogik vereinfacht die Umsetzung vergleichbarer Abläufe.
- Dadurch steigt die Flexibilität bei Rezepturen im laufenden Betrieb.
Diese standardisierte Struktur bildet zugleich die methodische Grundlage für die spätere Batchsteuerung und für die technische Umsetzung der SPS Ablaufsteuerung.
3. Automatische Ablaufsteuerung in der SPS
Statt klassischer serverbasierter Steuerung wurde ein neuer Ansatz realisiert: Schrittketten werden bei Auftragsstart vollständig in die SPS geladen.
Diese Form der SPS Ablaufsteuerung verlagert die eigentliche Ausführung direkt in die Steuerungsebene. Die Schrittkette SPS wird damit zum operativen Träger der Prozesslogik.
Zur Umsetzung gehörten:
- Entwicklung einer Schrittkettensteuerung als Matrix/Dispatcher
- Verarbeitung von mehreren hundert Phasen je Anlage
- Definition standardisierter Datenstrukturen für:
- Phasen
- Transfers
- Funktionen
- Schritte der Fertigungsvorschriften
Das Ergebnis ist klar:
- Die Lösung arbeitet ohne permanente Abhängigkeit von einem zentralen Server.
- Gleichzeitig wird die Kommunikationslast zwischen den Systemkomponenten minimiert.
- Prozessschritte werden schnell und deterministisch direkt in der SPS abgearbeitet.
- Dadurch werden die Produktionsprozesse stabiler und robuster.
4. Zentrale Deploy-Logik („Deploy to Clients”)
Ein zentraler Innovationsbaustein zur Automatisierung des Engineerings war die zentrale Deploy-Logik. Diese unterstützt die strukturierte Verteilung der im MES definierten Inhalte.
Umsetzung:
- Entwicklung einer Deploy Engine im MES
- Automatische Transformation der im MES definierten Phasen:
- in SPS-Programme (SIMATIC TIA Portal)
- und Visualisierungsstrukturen (AVEVA InTouch)
- Zentrales Ausrollen von:
- Rezepturen
- Prozesslogik
- Visualisierungsdaten
Der Datenfluss ist dabei klar beschrieben:
- Von MES → SPS → HMI
Die Vorteile:
- Manuelle Programmierung ist in diesem Prozess nicht mehr erforderlich.
- Über alle Systeme hinweg bleibt die Datenbasis konsistent.
- Dadurch reduziert sich der Engineering-Aufwand im Projektverlauf.
5. Visualisierung und Bedienung
Die Bedienung erfolgt über moderne HMI-Systeme mit AVEVA InTouch. Die Visualisierung unterstützt die Bedienung und Überwachung der Prozesse und ist eng mit der SPS Ablaufsteuerung verknüpft.
- Das System stellt den Live-Status aller Anlagen in Echtzeit bereit.
- Eine grafische Prozessdarstellung bildet die Abläufe nach S88 nachvollziehbar ab.
- Alarm- und Ereignismanagement unterstützen die strukturierte Überwachung des Betriebs.
- Die Bedienung erfolgt rollenbasiert und orientiert sich an den jeweiligen Zuständigkeiten.
Umsetzung:
- Entwicklung S88-konformer grafischer Workflows
- Strukturierte Anordnung von Funktionsblöcken zur intuitiven Bedienung
6. Automatisierung mehrerer Produktionslinien
Die Lösung beschränkt sich nicht auf einzelne Anlagenteile, sondern umfasst mehrere Produktionslinien sowie zusätzliche Peripherie. Damit wird die SPS Ablaufsteuerung über einzelne Aggregate hinaus in eine durchgängige Gesamtlogik eingebunden.
- Integration von mehreren Liniensystemen
- Anbindung von Abfüllanlagen
- Anbindung von Peripherie, z. B. Absaugungen, Prozessabluft/-reinigung, Energie- und Medienversorgungen wie Stickstoff, Wasser und Druckluft, einschließlich Abfüllung mit Etikettierung
- Durchgängige Steuerungslogik über alle Linien
Energiethemen
Die Verbräuche von Medien wie Druckluft, Strom, Kühl- und Heizenergie, Abluft sowie Rohstoffen werden in den einzelnen Produktionsschritten und Anlagenmodulen spezifisch erfasst.
Hauptziel ist es, die Fertigungsprozesse hinsichtlich Material-, Energie- und Medienverbrauch zu protokollieren und zu optimieren.
Die Verbräuche werden in einer firmeneigenen Datenerfassung über eine Schnittstelle bereitgestellt.
Ergänzend dazu kommuniziert eine zentrale Auftragsverwaltung mit diversen weiteren Teilanlagen wie z. B. Abfüllung, Verpackung bzw. Etikettierung.
Sie versorgt diese kontinuierlich mit relevanten Auftragsdaten und stellt jederzeit den aktuellen Auftragsstatus zur Verfügung.
Anschließend werden alle Daten intern gespeichert und an das firmeneigene ERP-System übergeben.
Nach Auftragsende werden alle Daten flexibel komplettiert. Dies gilt sowohl bei vollständiger Erfüllung als auch im Falle einer Unterbrechung, bevor die Daten an die firmeneigene Auftragsverwaltung übermittelt werden.
4. Ergebnis: Synchronisierte Gesamtanlage statt Einzellösungen
Durch die Kombination aus klassischer Automatisierung und neuer Architektur entstand ein klarer Technologiesprung.
Aus zuvor getrennten Strukturen wurde eine synchronisierte Gesamtanlage. Die SPS Ablaufsteuerung ist dabei ein wesentlicher Bestandteil der neuen Gesamtarchitektur.
Operative Vorteile
- Deutlich reduzierte Störungen
- Höhere Anlagenverfügbarkeit
- Zentrale Steuerung aller Prozesse
- Weniger manuelle Eingriffe
- Eingriffe sind in den Betriebsarten Halbautomatik, Hand oder Service (z. B. Klappe manuell steuern) in gewissen Grenzen möglich und mit Protokollierung der Eingriffe (Wert von, geändert nach)
- Durch die übergeordnete Sicherheitssteuerung werden Abläufe nur in definierten Zuständen ermöglicht (Sicherheit hat Vorrang, Atex geht vor)
Strategische Vorteile
- Flexible Anpassung von Rezepturen
- Schnellere Umsetzung neuer Produkte
- Deutlich geringerer Engineering-Aufwand
- Zukunftssichere Systemarchitektur
- Reduzierung des Anlagenpersonals durch automatisierte, flexible Abläufe in Dosier- und Mischanlagen
5. Fazit
Die Kombination aus S88-Standardisierung, zentralem MES, automatischem Deployment, Datenbank und MES-System sowie SCADA-, HMI- und Visualisierungslösungen schafft eine durchgängig strukturierte Produktionsumgebung.
Gemeinsam mit der SPS-basierten Ablaufsteuerung bildet sie die Grundlage für einen flexiblen, robusten, skalierbaren und datengetriebenen Betrieb.
