Trends in der Prozessautomatisierung

Dipl.-Ing. Dieter Schaudel

Da unsere Welt konkret und gegenständlich ist und nicht virtuell, braucht es Sensoren und Aktoren aus Hardware und Software, um mit der Welt und den Prozessen in Interaktion zu treten: beispielsweise um verfahrenstechnische Prozesse mit maximaler Qualität und Wirtschaftlichkeit zu betreiben, oder um Menschen und Umwelt zu schützen, oder um die natürlichen Ressourcen maximal zu schonen.

Ohne Sensoren wäre jedes System ein Torso: blind, taub, gefühllos. Die Informationen müssen absolut verlässlich sein, also funktional zuverlässig, richtig und hoch verfügbar. Dazu braucht es über die bereits bekannten hinaus neue robuste, d. h. breitbandig einsetzbare Sensorprinzipen, selbst lernende oder selbst adaptierende Funktionalitäten und neue Selbstüberwachungs- und Diagnosemodelle – und zwar vor Ort im Sensor. Das sind Anforderungen, die bei weitem nicht immer erfüllt werden. Solche Sensoren müssen zunehmend vor allem in der pharmazeutischen Produktion und morgen auch bei der Herstellung von Lebensmitteln und Getränken qualifizierbar und validierbar sein (Stichwort 21 CRF Part 11).

Im Wesentlichen drei Technologiebasen zusammen verbessern die Verlässlichkeit der Sensoren weiter:

• Mikroelektronik für hohe Rechnerleistung, immer billiger, mächtiger und kleiner

• Informationstechnik für standardisierte leistungsfähige Kommunikation (Busse, Internet) mit dem System

• Mikrotechnik für Größenskalierung und neue messtechnische Effekte

Sensoren werden zunehmend integrale Bestandteile des gesamten Systems, dem sie zuliefern – nicht nur informationstechnisch, sondern auch in der Bauform und in den Anforderungen an seine Mobilität. Besonders letzteres fordert völlig neue Qualitäten im Haushalten mit der Energie und geringstmögliche Abmessungen und Gewicht. Plattform- und Baukastenkonzepte, überbetrieblich genormt, werden eine bevorzugte Lösung sein müssen, auch unter Kostengesichtspunkten.

Sensoren waren immer multitechnologisch und werden es auch künftig sein: alle Disziplinen aus Naturwissenschaft und Technik tragen zur verlässlichen Funktion in der konkreten Messaufgabe bei. Künftig wird darüber hinaus immer Software ganz vorne im Sensor mit beteiligt sein, auch weil eine frühe Wandlung der Messinformation aus der analogen in die digitale Welt vieles einfacher, billiger und verlässlicher macht. Mikrotechnik und Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik und Biotechnologie sind künftig die wesentlichen Technologietreiber. Auch die Nanotechnik wird interessante Beiträge liefern. Die Nutzung der Natur der elektromagnetischen Wellen, im sichtbaren Bereich oder weit darüber, kann wichtige neue Anwendungen eröffnen – wie sie schon heute bei den Mikrowellenradargeräten zur Füllstandmessung in den letzen Jahren völlig neue Möglichkeiten eröffnet hat.

Den etwa 150 chemischen und physikalischen Sensoreffekten, die heute zu Messzwecken herangezogen werden, liefert die Biotechnologie immer weitere hinzu. Mit ihnen werden ganz neue Biosensoren verfügbar – nicht nur für Messaufgaben in der Medizin oder Pharmazie, sondern auch für solche in der Umwelt oder für die Lebensmittelindustrie. Damit wird die so genannte Hebelwirkung (kleine Ursache, große Wirkung), die Sensoren heute schon ganz generell für die Anwendung von Mikroelektronik und Informationstechnik in fast allen industriellen und konsumnahen Produkten haben, nochmals deutlich verstärkt.

Die Verlässlichkeit der Aktoren muss denen der Sensoren und Systeme mindestens entsprechen, da Fehlfunktionen in vielen Fällen unmittelbar zu großen Schäden führen können. Deshalb ist auch hier künftig verstärkt Qualifizierbarkeit und Validierbarkeit gefordert. Zu den drei bei den Sensoren genannten technologischen Technologietreibern kommen bei den Aktoren noch solider Maschinenbau mit deren neuartigen Werkstoffen, Füge- und Umformverfahren und die oft unterschätzte Feinwerktechnik hinzu.

Auch die Aktoren werden zunehmend integraler Bestandteil des Systems; demgemäß gilt vieles dort dazu gesagte hier gleichermaßen. Für die Aus- und Weiterbildung sind mechatronische Studiengänge und -angebote präferenziert.

Vor allem die Prinzipien und Technologien der Mikrosystemtechnik machen es möglich, die Integration von Sensor- und Aktorfunktionen zusammen mit Computerleistung auf engstem Raum als autonomes System zu realisieren, auch als „Agent“ oder als intelligentes Subsystem. Die Technologien dafür sind breit verfügbar und stehen in vielen Fällen im so genannten Technologiestau. Erste realisierte Systemlösungen haben bereits Akzeptanz gefunden, der Market-Pull (und nicht der Technology-Push) wird über die Zukunft dieser mechatronischen Systeme entscheiden. Wobei die besondere Herausforderung der so entstandenen Mechatronik im aufgabengerechten Zusammenführen der in Natur und Kultur sehr unterschiedlichen Technologien liegt.

Halle 10.2, Stand K3-N9

cav: Welche Produkt-Neuvorstellungen plant Endress + Hauser auf der diesjährigen Achema?

Schaudel: Wie immer sind es viele. Sowohl bei den Sensoren und Messgeräten, als auch bei den Systemen und Dienstleistungen auch rund um die installierte Basis gibt es Neuentwicklungen, von denen ich hier nur einige wenige hervorheben möchte. Ein Highlight im Bereich Durchflussmesstechnik ist ein Coriolis-Massenstrommesser, der neu nun auch die Viskosität der Flüssigkeit misst – natürlich auch den Massenstrom, den Volumenstrom, die Stofftemperatur und die Dichte simultan. Dafür haben wir ganz aktuell einen bedeutenden Innovationspreis zugesprochen bekommen. Darüber hinaus haben wir die Vortex-Durchflussmesserreihe mit integriertem Dampfrechner erweitert.

Ein echter Knüller ist die weltweit erste industrietaugliche pH-Elektrode mit integriertem Datenspeicher und kontaktloser Messwertübertragung. Das bringt dem Anwender enorme Vorteile, denn erstens erfolgt die Vorkalibrierung werksseitig oder im Betriebslabor unter optimalen Bedingungen, zweitens gehören Leckströme und damit Falschmessungen wegen Feuchtigkeit im Steckkopf definitiv der Vergangenheit an. Ein neuer Kopftransmitter für die Temperaturmessung, der zusammen mit der chemischen Industrie entwickelt wurde und deren Sicherheitsanforderung wirklich vollständig abdeckt, unterstreicht unsere Kompetenz auf diesem Gebiet deutlich.

Mit FieldGate stellen wir außerdem eine interessante Lösung für das Inventory Control vor, eine umfassende, zuverlässige und sichere Systemlösung für Logistikaufgaben. Fernabfragen, Fernparametrierung und Ferndiagnosen von Feldgeräten mit Hart-Kommunikation werden hiermit vereinfacht.

cav: Welche Entwicklungsschritte im Bereich Sensorik und Aktorik spiegeln sich in diesen neuen Produkten wider?

Schaudel: Erstens hat der Feldbus nun definitiv Einzug in die Feldebene gehalten. Ob Profibus-PA oder Fieldbus Foundation, es funktioniert verlässlich, wenn ein kompetenter Hersteller dahintersteht. Zweitens wird, was wir schon immer gesagt haben, die Analysenmesstechnik immer wichtiger, weil sie zunehmend betriebstauglich geworden ist. Die pH-Elektrode ist da ein Beispiel, neue Spektrometer ein anderes.

Drittens beginnt man allgemein zu begreifen, dass bisher so genannte offene Schnittstellen noch lange nicht wirklich offen sind, und dass deshalb Konzepte wie das FDT/DTM überfällig ist. Das kann man in Frankfurt besichtigen, nicht nur bei uns, sondern auch bei vielen anderen großen Herstellern. Viertens gibt es auch bei den Sensorprinzipien immer wieder neue Entwicklungen, mit denen neue Messmöglichkeiten besonders für Produkteigenschaften eröffnet werden, Beispiel Viskosität. Man muss sich nur die Mühe machen – und es auch können –, sie zu kultivieren und sie prozesstauglich robust zu machen. Und dann spiegelt sich bei uns natürlich auch die enorme Zunahme an Erfindungen wider: 131 Erstanmeldungen haben wir in der E+H-Gruppe im letzten Jahr gehabt, also praktisch jeden zweiten Arbeitstag eine. Das ist eine tolle Leistung und sichert einen kontinuierlichen Strom von Innovationen, die den Anwendern in den Prozessindustrien unmittelbar zugute kommen.

cav: Wie präsentiert sich E+H auf der Achema und welche Erwartungen haben Sie an die Veranstaltung im Mai?

Schaudel: Als Komplettlieferant für die Prozessindustrie, mit dem wohl weltweit größten und kompetentesten Angebot an dafür bestgeeigneten Messgeräten und Messsystemen. Eine große Überschrift dabei ist SIL, Safety Integrity Level, also funktionale Sicherheit nach definierten Standards. Hier haben wir mächtig Hausaufgaben in den letzten Jahren gemacht. Ergebnis ist, dass wir nun aus praktisch allen Arbeitsgebieten Geräte nach SIL 2, viele auch in SIL 3 anbieten können. 21 CRF Part 11 ist für uns ebenfalls kein Buch mit sieben Siegeln, sondern erworbene, erarbeitete Kompetenz bei Geräten und Systemen. Da wissen wir nicht nur theoretisch, sondern sehr praktisch, auf was es ankommt. Unsere Kunden profitieren davon und den FDA-Inspektor freut es. Wir haben darüber hinaus insgesamt unser Angebot für die pharmazeutische Industrie erheblich ausgeweitet, nicht nur mit hygienischem Design, sondern auch im Know-how beim Engineering, bei der Unterstützung der Validierung, beim Erstellen von Pflichtenheften und SOP’S. Ob Atex, Druckgeräterichtlinie oder neue Flanschnormen, in diesen Bereichen sind wir kompetent in der Beratung und lieferfähig bei den Produkten.

Auch das Assetmanagement mit FieldCare haben wir systematisch weiter ausgebaut und neue Applikationen für w@m, unser Web Enabled Asset Management, hinzugefügt. Ich erwarte, dass unsere Kunden und neue Interessenten, beides hoffentlich in großer Zahl, mit der Gewissheit von unserem Messestand gehen, dass die Menschen von E+H mit guten Gründen ihre verlässlichen Partner für alle ihre Aufgaben der Messtechnik und Automation in der Verfahrenstechnik sind.