Was haben Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und CO2-Fußabdruck mit Automatisierungstechnik und Digitalisierung zu tun? Für den Sponsor der 86. Namur-Hauptsitzung 2023 in Düsseldorf/Neuss, Schneider Electric, gibt es kein Entweder-oder. Auch für die weiteren Vortragenden gehören Nachhaltigkeit und Automatisierung bzw. Digitalisierung untrennbar zusammen. Werkzeuge zur Umsetzung wie herstellerunabhängige Automatisierung, künstliche Intelligenz, MTP, NOA und Ethernet-APL stehen zur Verfügung, wie sich die Besucher der Hauptsitzung versichern konnten. Und in einem Punkt waren sich Alle einig: Die Investitionen in Nachhaltigkeit und Digitalisierung der Prozesse müssen jetzt Fahrt aufnehmen, sonst steht der Standort Deutschland vor der Deindustrialisierung.
Das waren die Plenarvorträge:
- Die Bedeutung von Open Automation
- Wertschöpfung durch Open Process Automation (OPA)
- Ethernet-APL – die Technologie ist bereit
- Automatisierung 2027 – Wie können NOA und MTP in der Praxis Wettbewerbsvorteile schaffen?
- Die elektrifizierte Chemische Industrie – Möglichkeiten und Automatisierung
- Digitalisierung der PAT als Enabler für die autonome chemische Produktion
- Steuert KI jetzt unsere Anlagen?
- Verleihung Namur Award und Sponsor 2024
Die Bedeutung von Open Automation
Den Zusammenhang zwischen Effizienz und Digitalisierung präsentierten Barbara Frei, Executive Vice President Industrial Automation und Jessica Bethune, Vice President Industrial and Process Automation DACH bei Schneider Electric sowie Caspar Herzberg, CEO, Aveva, in ihrem Eröffnungsvortrag zur 86. Namur-Hauptsizung im Dorint-Hotel in Düsseldorf/Neuss, „Die Bedeutung von Open Automation: Beschleunigung der industriellen Digitalisierung, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit“.
Wo es bislang hauptsächlich darum ging mithilfe von Energie- und Automatisierungssystemen den Betrieb der Anlagen sicher, zuverlässig und langfristig rentabel zu halten, steht heute zudem eine bessere Nutzung der Ressourcen im Blickfeld. Das bedeutet: Verschwendung und Abfallmengen zu reduzieren, den Energieverbrauch zu verbessern und bessere Betriebsentscheidungen in Echtzeit zu treffen. Genau hier setzt nach Meinung der Experten die Open Automation an. Für Schneider Electric ist Open Automation quasi der Weg in die Zukunft. Sie wird Unternehmen in die Lage versetzen, ihre Infrastrukturen und Anlagen für die Herausforderungen fit zu machen. Zudem wird die offene Prozessautomatisierungstechnologie die Innovation und die Zusammenarbeit der gesamten Belegschaft demokratisieren und für die nächste Generation zu schrittweisen Verbesserungen führen, um noch ehrgeizigere Effizienz- und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Schneider Electric geht hier im eigenen Unternehmen mit gutem Beispiel voran. „Beim Thema nachhaltiges Wirtschaften waren wir schon vor vielen Jahren ein Early Adopter“, betonte Dr. Barbara Frei. „Nachhaltigkeit ist die unternehmerische Antwort auf die Herausforderungen unserer Zeit.“ Dabei spielen Themen wie künstliche Intelligenz, Digital Twin und industrielles Metaversum für die Lösungen des französischen Unternehmens eine wichtige Rolle. Zu den Kunden von Schneider Electric zählen zahlreiche renommierte Unternehmen der Prozessindustrie. Darunter zum Beispiel das deutsche Unternehmen Henkel, das einen Teil seiner Waschmittelproduktion mithilfe von Softwarelösungen des Tech-Konzerns noch energieeffizienter gestalten konnte.
Wertschöpfung durch Open Process Automation
„Wertschöpfung durch Open Process Automation (OPA) … vom Konzept bis zur Realität“ war gleich im Anschluss das Thema von Michael Krauss, Senior Automation Manager, BASF, David DeBari, Control System Engineering Associate, Exxon Mobil, und Bert De Wilde, Principal for ICS Cybersecurity (IEA), Exxon Mobil. Die Experten legten dar, wie eine zunehmende Standardisierung zu mehr Innovation, Optionen und Mehrwert auf dem Markt der Prozessautomatisierung führen kann. In den letzten Jahren haben sich führende Branchenakteure auf eine Reihe von Standards namens O-PAS geeinigt, um offene, sichere und interoperabel Abläufe zu erreichen. Viele Betreiberunternehmen, wie Exxon Mobil, Shell, Aramco, BASF, Dow, Petronas, Reliance und andere, haben Test- und Demonstrationssysteme entwickelt und sind dabei die offenen Systeme vor Ort einzusetzen, um die Machbarkeit und Innovationsfähigkeit durch Nutzung der neuesten Fortschritte in Computer Technik und Software zu demonstrieren, um die Flexibilität, Rentabilität und Nachhaltigkeit der Fertigung zu erhöhen. Exxon Mobil ist hier ganz vorne mit dabei und setzt die offenen Prozessautomatisierung nun auch in der Produktion ein.
Ethernet-APL – die Technologie ist bereit
Der Namur AK 2.6 Digitale Prozesskommunikation hat im Jahr 2021 das Positionspapier „Ethernet-APL für Anwendungen der funktionalen Sicherheit“ erstellt. Seitdem ist Ethernet-APL ist ein oft diskutiertes Thema, auch unter Endanwendern: Was ist der Nutzen? Was wird sich gegenüber Feldbussen verbessern und warum brauchen wir einen neuen „Feldbus“? „Ja“ ist die eindeutige Aussage der Namur-Experten. Und Dr. Felix Hanisch, Vorstandsvorsitzender der Namur ging bei der Hauptsitzung sogar soweit zu betonen, dass APL die Letzte Chance sein könnte, die Digitalisierung endlich ins Feld zu bringen. Obwohl die die Technologie inzwischen als reif gilt und den Markt erreicht, sind viele organisatorische und praktische Aspekte, die mit der Einführung von Ethernet-APL einhergehen, noch unklar. Um die aktuellen Herausforderungen anzugehen, wurde die Namur-APL-Task-Force 2023 ins Leben gerufen.
Auf dem Markt finden sich erste Geräte mit APL-Funktionalität. Ganz genau waren es bis zum Zeitpunkt der Präsentation 2023 sieben Sensoren und ein Positioner. Mari Molina, Process Automation Manager bei Dow, und Emanuel Trunzer, Automation Engineer, BASF, fragten daher in Neuss ganz provokant: „Ethernet-APL – die Technologie ist bereit, aber sind wir es?“ In der Präsentation wurde über den aktuellen Stand der Technologieeinführung berichtet und ein Überblick über laufende und geplante APL-Projekte innerhalb der Community gegeben. Der Vorteil des Einsatzes von Ethernet-APL ist klar, denn mit dieser Technologie lassen sich Daten aus dem Feld gemäß der Namur Open Architecture (NOA) in übergeordnete Automatisierungsebenen transportieren und für die Prozessüberwachung- und Optimierung sowie Wartung und Instandhaltung nutzen. Ein weitere Vorteil gegenüber der Feldbustechnologie ist, dass sich eben auch große Datenmengen schnell weitergeleitet werden können.
Wie können NOA und MTP in der Praxis Wettbewerbsvorteile schaffen?
Wie generiert man nun Mehrwert aus den Technologien APL, MTP, Open Automation und NOA? Andreas Schüller, Yncoris, Igor Stolz, Evonik und Michael Pelz, Heubach, knüpften mit einem Beispiel aus der Praxis direkt an den Ethernet-APL-Vortrag an. „Automatisierung 2027 – Wie sieht ein modernes Automatisierungskonzept aus?“, war der Titel ihres Vortrags. Ihr sehr anschauliches Beispiel: Ein Geräteaustausch in der Nachtschicht. Bislang zieht solch ein Gerätetausch einen relativ aufwendigen Prozess nach sich. Der Bediener muss nach dem Tausch mehrere Dokumente erstellen und zusammenführen, inklusive Papierdokumentation. Bis das neue Gerät in die Anlagensteuerung eingebunden und ansteuerbar ist vergeht so eine lange Zeitspanne. Durch den Einsatz der NOA-Technologe, egal ob mit Hart oder Ethernet-APL, entfällt der Verwaltungsaufwand, da die Daten direkt über den NOA-Backbone an übergeordnete System weitergegeben werden. Dieser Vorgang dauert dann nur noch wenige Minuten, mit APL sogar bis zu wenigen Sekunden. Ein zweites Beispiel war die Vereinfachung beim Einbinden von Funktionseinheiten wie Mischer, Dosierer, etc in die Anlagensteuerung durch die Nutzung der MTP-Technologie.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, wie sich mit den neuen Technologien mit firmenübergreifenden Standards, modularen und flexiblen Konzepten und einem Datenaustausch über Firmen- und Branchengrenzen hinweg, eine Optimierung der Wettbewerbsfähigkeit erreichen lässt:
- Namur Open Architecture (NOA) ermöglicht durch ein standardisiertes Informationsmodell Gerätedaten aus dem OT-Netzwerk auszulesen und sicher in das IT-Netzwerk des Betreibers zu übertragen. Feldgerätedaten können z.B. als Teilmodell einer Verwaltungsschale zu einem CAE-Kontraktor übertragen werden, wodurch das System jederzeit mit aktuellen Daten aus der Feldebene aktualisiert wird und somit eine jederzeit korrekte As-built-Dokumentation sicherstellt werden kann. Diese Funktionalität ist mit geringem Modifikationsaufwand auch in Brownfield-Anlagen implementierbar.
- Die Konzepte des Module Type Package (MTP) lassen sich für ein effizienteres Leitsystem-Engineering nutzen. Unabhängig davon, ob es sich um modulare Neuanlagen oder die Integration von Package Units mit eigener Steuerung handelt, ist ein Engineering deutlich schneller und weniger fehlerbehaftet möglich. Aber auch die teilautomatisierte Erstellung von HMI-Bildern aus R&I-Fließbildern ist analog zum MTP auch bei konventionell automatisierten Anlagen möglich. Und mittels des Open Process Automation Standard (O-PAS) könnte neutraler Steuerungscode der Module auch in zentrale Automatisierungssysteme integriert werden.
Nutzt man für diese Use Cases zukünftig auch ein Datenökosystem wie Manufacturing-X, wird eine firmenübergreifende Nutzung von Informationen wesentlich einfacher zu managen. Der große Vorteil gegenüber früheren Lösungen liegt in der Allgemeingültigkeit der Lösung und damit in einem höheren RoI (Return on Investment). Aktuell muss für jeden Use Case meist eine eigene Lösung erworben, in die vorhandenen Systeme integriert und über den Lebenszyklus, mit allen Schnittstellen, instandgehalten werden. Die Verwaltungsschale minimiert diesen Aufwand entscheidend. Über verschiedene Teilmodelle lassen sich Informationen herstellerneutral zwischen verschiedenen Partnern austauschen und pflegen. Der Wunsch der Vortragenden: Spätestens bis zur Achema 2027 sollte es eine Vielzahl entsprechender Lösungen auf dem Markt geben.
Die elektrifizierte chemische Industrie
Die Umstellung von Anlagen der chemischen Industrie für eine nachhaltige und klimaneutrale Produktion stellt eine große Herausforderung dar. Zwischen dem Ist-Zustand und einem Idealzustand, in dem chemietechnische Anlagen nachhaltig im Zentrum der einer klimaneutralen Kreislaufwirtschaft stehen, sind Zwischenschritte erforderlich. Einer dieser Zwischenschritte ist eine Produktion, die sowohl energie- und materialeffizient operiert, so dass die Emission von Treibhausgasen weitestgehend minimiert ist. Dieter Förtsch und Stefan Krämer, beide bei Bayer, zeigten am Beispiel der Kondensatwärmenutzung in ihrem Vortrag „Die elektrifizierte chemische Industrie – Möglichkeiten und Automatisierung“ welche Anlagenteile für eine Elektrifizierung sinnvoll erscheinen und welchen Einfluss dies auf die Komplexität in der Automatisierung hat. Förtsch stellte dabei klar, dass die Elektrisierung natürlich nur dann Sinn mache, wenn der Strom CO2-neutral erzeugt werde. Zudem räumte er ein , dass sich in der chemischen Industrie nie alle Prozesse elektrifizieren lassen werden, sodass für Net Zero auch immer Carbon Capture ein Thema sein müsse. Krämer zeigte dann wie sich die Mess- und Regelungslandschaft verändert, wenn am Beispiel der Kondensatwärmenutzung die Dampferzeugung durch Wärmepumpen ersetzt oder ergänzt werden soll. Im Optimalfall ist die Wärmepumpe eine PEA mit MTP-Funktionalität. „Der Prozess wird komplexer, d.h. man braucht viel Mess- und Regelungseinrichtungen, Eine Optimierung aller Messstellen über NOA kann dann aber eine Effizienzsteigerung des Prozesses bringen“, so Krämer. Fazit der Vortragenden: Wenn die Dekarbonisierung gelingen soll, braucht man sehr viel mehr Strom aus erneuerbaren Quellen und dazu auch entsprechende Netze. Und um flexibel zu werden, braucht man deutlich mehr Automatisierungstechnik als heute.
Digitalisierung der Prozessanalysentechnik
In ihrem Vortrag „Digitalisierung der PAT als Enabler für die autonome chemische Produktion“ stelltenRoger Rossmann von Bayer und Marco Wiesel von BASF ihre Sicht auf die NOA als zentralen Bestandteil der Digitalisierung dar. Rossmann: „NOA ist für PAT essenziell. PAT-Geräte stellen auch heute viele Vitaldaten bereit, die firmenübergreifend nicht genutzt werden. Hier kann NOA ansetzen, um die Informationsmodelle zu Standardisieren“. Und das führe dann auch auch weg von der zeitbasierten Instandhaltung und hin zur zustandsbasierten Instandhaltung. Hier kommt dann auch wieder Ethernet-APL ins Spiel, denn mit dieser Technologie lassen sich die Daten schneller und einfacher überführen als mit Hart- oder Feldbus-Technologie. Wiesel sieht auch den Fachkräftemangel in der chemischen Industrie als Treiber der Digitalisierung: “Hier kann eine Digitalisierung der PAT helfen. Wenn der manuelle Aufwand an der Anlage verringert wird, ist die Arbeit attraktiver.“ Dabei ginge es auch nicht darum Arbeitsplätze zu vernichten, so Wiesel, sondern neue , interessantere Arbeitsplätze zu schaffen. Als Beispiel führte er das Projekt Deep Thought bei der BASF an. Hier wurden zwei Gaschromatographen und mehrere Messstellen integriert. Auf diese Weise ließen sich 80% der Laborproben und die Alarmanzahl auf unter 1% reduzieren und es waren keine Bedienereingriffe erforderlich. Positive Nebeneffekte: Die Schichtstärke konnte optimiert werden, es waren Energieeinsparungen möglich und es gab keine Produktverluste. Und eine Menge Spaß habe es auch gemacht, freute sich Wiesel.
Steuert KI jetzt unsere Anlagen?
Zum Abschluss der zweitägigen Namur-Hauptsitzung warfen Kai Dadhe von Evonik und Prof. Dr. Sebastian Engell, Lehrstuhl Systemdynamik und Prozesstechnik an der TU Dortmund, eine Blick auf das Trendthema künstliche Intelligenz (KI). Stichwort war hier u.a. die selbstoptimierende Anlage. Im Rahmen des vom BMWK geförderten Projektes „KEEN – Künstliche-Intelligenz Inkubator-Labore in der Prozessindustrie“ – wurden in einem Netzwerk von über zwanzig Partnern Methoden und Technologien des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz im Hinblick auf ihr Potenzial für den Einsatz in der Prozessindustrie erprobt und weiterentwickelt. Dabei wurde der komplette Asset Life Cycle (ALC) betrachtet: von der verfahrenstechnischen Modellierung und Prozessentwicklung über das Engineering bis hin zur Optimierung des Betriebs und der Regelung bestehender Anlagen.
Der Vortrag gab einen Überblick über die angewendeten Methoden und Technologien entlang des ALC, wobei der Schwerpunkt auf dem Einsatz zur Überwachung, Regelung und Optimierung von Prozessen lag. Insbesondere wurde auf Erfahrungen bei der datenbasierten Modellierung eingegangen.
Die Experten waren sich einig, dass zum jetzigen Zeitpunkt die KI alleine nicht die Anlagen steuern kann. Zu häufig würde, auf sich gestellt, bei der Auswertung der Daten falsche Schlüsse ziehen. Sie ist aber heute schon ein mächtiges Tool, wenn es um die Aufarbeitung großer Datenmengen geht oder auch für die Erstellung realitätsnaher Modelle der Prozesse.
Verleihung Namur Award und Sponsor 2024
Wie in jedem Jahr wurden auch 2023 die Namur Awards an Studenten mit herausragenden Arbeiten verliehen. Den Award für die beste Promotion erhielt Dr. Xiang Xie vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) für seine Arbeit an einem Framework für die Spektralanalyse. Lea Tidemann gewann den Award für ihre Masterarbeit zur Analyse von Prozessdaten. Der Preis wurde stellvertretenden von Prof. Dr. Margret Bauer, Professorin für Automatisierungstechnik an der HAW Hamburg, die die Arbeit bereute, entgegen genommen.
Und zu guter Letzt durfte Renatus Neijts von DOW den Sponsor für die Namur-Hauptsitzung im Jahr 2024 bekannt geben. Unter dem Motto „Boundless Automation for Ecosystems in Action“ wird im nächsten Jahr Emerson Hauptträger der Veranstaltung sein.
Autorin: Daniela Held
