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PAT wird immer digitaler

Roadmap gibt klare Hinweise auf die Zukunft der PAT
So sehen Experten die PAT bis 2027

Die Prozessanalysentechnik, kurz PAT, liefert immer dann Klarheit, wenn klassische Messwerte an ihre Grenzen kommen. Im Zuge des Klimawandels und der damit verbundenen Nachhaltigkeit von chemischen Prozessen und geschlossenen Stoffkreisläufen nimmt die PAT in den kommenden Jahren eine zentrale Rolle ein. Wie sich die Namur-Experten diese Rolle vorstellen, haben sie in der Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ zusammengefasst.

Die chemische Industrie steht im Zeichen des Klimawandels vor einem globalen Umbruch. Fossile Rohstoffe müssen langfristig als Energiequelle durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Gleichzeitig werden fossile Rohstoffe auch als Kohlenstoffquelle über kurz oder lang aus der Produktion verschwinden. Andere Kohlenstoffquellen müssen daher etabliert werden, beispielsweise nachwachsende oder rezyklierte Rohstoffe. Diese Rohstoffe stellen allerdings eine enorme Herausforderung für den weiterverarbeitenden Prozess dar. So ist die Zusammensetzung nachwachsender Rohstoffe oft stark schwankend, was in Batchprozessen unter Umständen sogar zum Abbruch von Reaktionen führen kann. Eine gezielte Prozessanalytik ist daher für eine nachhaltige Produktion unerlässlich, denn nur die präzise Endpunktbestimmung und Reaktionsverfolgung wird zur Ressourcen- und Energieeffizienz beitragen können.

Effizienz durch ambulante Sensoren

Die stoffliche Analyse von Edukten, Zwischenphasen und Produkten einer Reaktion ist eine zentrale Aufgabe der Prozessanalytik, um Prozesse effizient und nachhaltig regeln zu können. Nicht invasive Techniken werden dabei zukünftig eine größere Rolle spielen als bisher. Die Messungen sollten möglichst unmittelbar direkt im oder am Prozessmedium ohne explizite Probenahme erfolgen. Auf diese Weise können auch dynamische Prozesse verfolgt und Fehler durch die Probenahme selbst vermieden werden.

Auch der Einsatz sogenannter ambulanter Sensoren soll nach Einschätzung der PAT-Experten vermehrt erfolgen. In vielen Fällen, beispielsweise bei An- und Abfahrprozessen von kontinuierlichen Prozessen, ist eine aufwendige Prozessanalytik nur für ein kleines Zeitfenster erforderlich. Gerade bei Kontiprozessen kennt man nach einiger Zeit den Prozess so gut, dass hochwertige und teure Geräte nicht mehr erforderlich sind und ausgebaut werden könnten, um sie an anderer Stelle wiederzuverwenden. Dazu bedarf es allerdings standardisierter Datenstrukturen und Schnittstellen, beispielsweise in die Leittechnik. Der Vorteil dieser Geräte: Neu entwickelte Messverfahren, deren Langzeitstabilität und Robustheit noch nicht so hoch wie bei einem dauerhaft installierten Gerät sein muss, können so schneller in den Markt gebracht werden, um Erfahrungen zu sammeln.

Einsatz von Schwarmsensorik

Mit kompakten, kostengünstigen Sensoren und entsprechenden Funkverbindungen lassen sich in Betrieben Sensornetzwerke realisieren, die für die Überwachung von ausgedehnten Anlagen oder zum Immissionsschutz eingesetzt werden können. Diese sogenannte Schwarmsensorik stellt, so die Experten, eine flexible Alternative oder Ergänzung zu leitungsgebundenen, fest installierten Sensornetzwerken dar. Besonders wichtig in diesem Zusammenhang: Die Geräte sollten im Sinne der Nachhaltigkeit über ein Kommunikations- und Energiemanagement verfügen und ihren Energiebedarf optimieren. Dazu ist der richtige Mix aus On-board-Datenverarbeitung und Datenverarbeitung in der Cloud notwendig. Sowohl Messung als auch Datenübertragung können auf Anforderung aus dem Schwarm selbstständig angestoßen werden. Dazu sollte der Schwarm über eine eigene Intelligenz (KI-Chip im Sensor) verfügen. Auf diese Art könnten beispielsweise meteorologische Daten berücksichtigt werden. Solche Systeme sind derzeit Gegenstand von F&E-Vorhaben.

Digitalisierung als Erfolgsfaktor

Ohne Digitalisierung wird es nicht gehen, da sind sich die Experten einig. Die PAT der Zukunft wird daher smart sein und neben dem eigentlichen Messwert eine Vielzahl anderer Lebenszyklusdaten, auch Vitalitätsdaten genannt, digital zur Verfügung stellen. So lassen sich beispielsweise Aussagen über den Zustand des Gerätes treffen und vorausschauende Instandhaltungsmaßnahmen anstoßen. Der Grundstein hierfür wurde mit der PAT@NOA-Initiative bereits gelegt. Ziel des PAT@NOA-Konzeptes ist es, standardisierte Vitalitätsdaten für PAT-Messeinrichtungen passend zu der bestehenden Monitoring- und Optimierungslandschaft im Brownfield automatisiert bereitzustellen. Die Namur Open Architecture (NOA) ermöglicht PAT-Feldgeräten die direkte Anbindung an Anwendungen in der Cloud. Die Vitalitätsdaten der PAT-Geräte werden dem PADIM-Datenmodell (Prozess Automation Device Information Model) hinzugefügt und können automatisierte Inspektionen und eine prädiktive Instandhaltung ermöglichen. Die PAT-Profis der Namur erwarten dadurch erhebliche Einsparungen bei Betriebs- und Instandhaltungskosten für PAT-Messeinrichtungen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, aus den gewonnenen Vitalitätsdaten zusätzlich Rückschlüsse auf den Prozess ziehen zu können.

Digitaler Zwilling für Inbetriebnahme

Der digitale Zwilling einer technischen Komponente kann im einfachsten Fall aus einer Bezeichnung wie Name, Tag oder Seriennummer bestehen, die digital in einem Engineeringprogramm hinterlegt ist. Diese digitale Gerätevariante kann mit vielen weiteren Daten angereichert werden und schließlich ganze Funktionen der technischen Komponente repräsentieren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mit dieser Komponente zu interagieren, auch wenn diese physisch in der Anlage noch gar nicht vorhanden ist. Dies kann beispielsweise die Inbetriebnahme von PAT-Geräten erheblich erleichtern. So kann das Personal bereits vor dem Start der Anlage am digitalen Zwilling eines PAT-Gerätes geschult werden oder es können im Vorfeld Einstellungen ausgewählt werden. Das hat Auswirkungen auf den Lieferprozess: Nach Bestellung einer PAT-Komponente wird zunächst der digitale Zwilling geliefert. Noch bevor das eigentliche Gerät produziert ist, kann es über den digitalen Zwilling konfiguriert werden. Der daraus entstehende Parametersatz wird in der Cloud abgelegt. Bei der eigentlichen Inbetriebnahme des Gerätes wird der Parametersatz aus der Cloud wieder heruntergeladen, sodass es sofort betriebsbereit ist.

Schnittstellen standardisieren

In der Prozessindustrie werden unterschiedliche Automatisierungsprotokolle wie Hart, Profibus PA oder Foundation Fieldbus verwendet. Jedes dieser Automatisierungsprotokolle stellt die Information von Feldgeräten anders dar, was die Integration in übergeordnete IT-Systeme schwierig gestaltet. Die Namur-Experten fordern daher vor dem Hintergrund der Einführung von Ethernet-APL ein gemeinsames Informationsmodell, mit dem diese Hürde genommen werden kann. Die Roadmap 2027+ empfiehlt an dieser Stelle das herstellerunabhängige Informationsmodell PA-DIM mit einer strukturierten Hierarchie für den standardisierten Datenzugriff. PA-DIM beinhaltet neben der ProductInstanceUri weitere Parameter zur eindeutigen Identifikation eines Gerätes sowie ein Security Model. Basis für den sicheren Verbindungsaufbau zu einem PAT-Gerät ist eine sichere Geräteidentität, die man mit einem Geburtszertifikat vergleichen kann. Dieses Zertifikat in Verbindung mit den standardisierten Schnittstellen ermöglicht wiederum eine deutliche Reduzierung des Wartungs- und Installationsaufwandes.

Das Ziel ist Plug-and-play

Mit Ethernet-APL und dem damit verbundenen deutlich höheren Datenaustausch zieht das Internet zukünftig auch in die bisher stiefmütterlich behandelte Feldebene ein. Damit sich diese Technologie durchsetzt, muss der Austausch alter Technologien möglichst einfach sein, idealerweise Plug-and-play. Und das nicht nur bei der Erstinstallation, sondern auch beim Tausch von Geräten. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Begriff „funktionsidentisch“. Führt ein Gerät eine bestimmte Funktion aus, muss es durch jedes andere gleichwertige Gerät herstellerübergreifend ersetzt werden können. Als Ergebnis dieses Ansatzes werden Produktionsprozesse nicht mehr durch Geräte definiert, sondern deren Fähigkeiten, also beispielsweise den Druck, die Temperatur oder den Durchfluss – auch in Kombination – zu messen. Die Beschreibung der Fähigkeiten ist essenzieller Bestandteil der sogenannten Verwaltungsschale. Sie fasst die digitalen Funktionen eines Gerätes in einer einheitlichen Schnittstelle zusammen und erlaubt so die Einbindung in die Industrie-4.0-Umgebung. In Kombination mit einheitlichen Mechanismen und Softwareschnittstellen ermöglicht die Verwaltungsschale die einfache Handhabung von Prozesssensoren und macht Plug-and-play möglich.

Was ist zu tun?

Die Roadmap Prozess-Sensoren 2027+ gibt zahlreiche Hinweise, was von Geräten zur Prozessanalyse in den nächsten Jahren erwartet wird. Ein fett markierter Punkt auf der Agenda ist sicherlich die Standardisierung. Nur mit ihr ist der zuverlässige und nachhaltige Betrieb der PAT möglich. Um die Möglichkeiten der Digitalisierung nutzen zu können, muss das NOA-Konzept, das mit Blick auf die PAT erarbeitet wurde, Teil der nächsten Gerätegeneration sein. Dazu müssen Anwender und Gerätehersteller eng zusammenarbeiten. Und letztendlich müssen auch die Anwender in puncto Digitalisierung umdenken, wenn sie die Vorteile der digitalen Welt in ihren Anlagen nutzen wollen.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: Roadmap PAT


Dr. Tobias Eifert, Process Analyzer Technology, Covestro, vertritt die Anwender im Arbeitskreis Prozessanalysentechnik von GDCh und Dechema

Statement

Was ist der Kern der Messaufgabe? Um auch in Zukunft die richtigen Antworten für diese zentrale Frage unseres Fachbereichs zu finden, hilft die aktuelle Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ der Namur.

Die Prozessindustrie befindet sich in einer Transformation zu nachhaltigeren Prozessen und richtet sich auf die Kreislaufwirtschaft aus. Was wird das für die PAT bedeuten? Die Messaufgaben werden sich für weite Teile der Prozessindustrie verändern. Nachhaltige Prozesse führen zu neuen Fragen für die PAT (z. B. durch eine höhere Variabilität in den nachwachsenden oder rezyklierten Rohstoffströmen), die heute nur teilweise gelöst sind.

Damit die PAT diesen Prozessen optimal dienlich sein kann, müssen die aufkommenden Messaufgaben so früh wie möglich im Kern verstanden werden. Die Grundlagen hierfür werden in der Prozessentwicklung gelegt, in der die PAT durchgängig vom Labor ins Feld als integraler Bestandteil zum Einsatz kommen sollte. Für neue Prozesse mit bisher ungelösten Messaufgaben müssen sich PAT-Anwender, Instrumentenhersteller sowie Hochschulen und Forschungsinstitute im Trialog zusammenschließen und gemeinsam die nötigen Lösungen erarbeiten.


Dr. Bernd Rademacher

Redakteur

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