CITplus - Zurzeit prägt das Thema Rohstoffwandel die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der verfahrenstechnischen Industrie. Neue Produktionsverfahren sind notwendig, um Produkte basierend auf neuen Ausgangsstoffen zu entwickeln. Wie bei jeder verfahrenstechnischen Aufgabenstellung werden Erkenntnisse im Labor- und Technikumsmaßstab erarbeitet - zuverlässig erfasste Informationen bilden dafür die Grundlage. Eine maßgeschneiderte Prozessleittechnik auf der Basis des skalierbaren Leitsystems Simatic PCS 7 ist wesentlicher Baustein dafür, Daten lückenlos zu erfassen und gleichzeitig Prozesse stabil zu halten.

Der Einsatz von Biomasse als Rohstoff für die Chemiewirtschaft ist ein vordringliches politisches Ziel in vielen Ländern rund um den Globus. Biogene Rohstoffe stehen meist kostengünstig zur Verfügung, so dass sich die Abhängigkeit vom endlichen Rohstoff Öl spürbar verringern lässt. Im Treibstoffsektor ist die Synthese von Biokraftstoffen und ihre Beimischung zu Benzin und Diesel bereits gängige Praxis. Jedoch können organische Materialien auch als Grundstoff für Erzeugnisse der Kunststoff-, Fein- und Spezialchemieindustrie dienen, welche die petro-basierenden Materialien ablösen. Mit großer Anstrengung erarbeiten Wissenschaftler und Ingenieure Lösungen, die im ökonomisch sinnvollen Maßstab anwendbar sind [1], [2].

Prozessleittechnik hilft Daten zu ­erfassen und zu managen
Entwicklung, Modifikation und Optimierung von Produktionsverfahren erfordern intelligente Methoden zur Informationsgewinnung. Durch Versuchsreihen in verfahrenstechnischen Entwicklungslaboren erlangen interdisziplinäre Teams Erkenntnisse über das Verhalten von biotechnologischen Prozessen oder auch chemischen Reaktionen wie etwa über deren Wirkungsgrade sowie über entstehende Rest-/Abfallstoffe und vieles mehr. Die ermittelten Daten, die in Versuchsabläufen mit veränderten Parametersätzen gewonnen werden, liefern genau die Informationen, die auf optimale Prozessbedingungen schließen lassen. Die heute zur Verfügung stehenden Laborgeräte stellen eine Fülle von Daten zur Verfügung, was ein Segen für die Verfahrensentwicklung sein kann. Daten sind zwar die primäre und wichtigste Ressource, doch sie sind wertlos, wenn ihre Erfassung nicht verlässlich, nachvollziehbar und dokumentiert erfolgt. Und Daten allein bilden keinen Wert, wenn keine Ergebnisse abgeleitet werden, das heißt, wenn sie nicht zu wertvoller Information verdichtet werden. Große Datenmengen können also auch zum Nachteil für die Verfahrensentwicklung gereichen, wenn sie nicht richtig gehandhabt werden. Mit moderner, zugeschnittener Prozessleittechnik vernetzen die Verfahrensentwickler die einzelnen Applikationen wie zum Beispiel Dosier- oder Temperiervorgänge. Mit Hilfe von Rezepten automatisieren sie die Versuchsdurchführung mit unterschiedlichen Parametersätzen. Somit liegt der Fokus auf der Planung und Durchführung aussagekräftiger Versuche.

Automatische, lückenlose Daten­erfassung spart Zeit und Kosten
Gewonnene Daten müssen nachvollziehbar sein, sonst lassen sich keine Erkenntnisse gewinnen. Eine weitere Rahmenbedingung für erfolgreiches Arbeiten in der Prozessentwicklung ist die vollständige Informationserfassung bei sicherer Fahrweise und größtmöglicher Stabilität der Prozesse. Dabei kommt dem Wort „vollständig" besondere Bedeutung zu, da Lücken oder fehlerhaft aufgenommene Datenreihen die Auswertungen verfälschen können. Hier bringt der Einsatz eines passenden Prozessleitsystems weitreichende Vorteile, denn die erfassten Werte liegen in elektronischer Form lückenlos und mit einem Zeitstempel versehen vor. Da diese automatisch erfasst und gespeichert werden, entfällt zudem das Risiko von Übertragungsfehlern, was bei manueller Erfassung häufig der Fall ist und zu keinen aussagekräftigen Versuchsergebnissen führt. Damit entfällt hier die Notwendigkeit, die Versuche zu wiederholen. Die Entwicklungszeiten und der Einsatz von Ressourcen können also optimiert werden. Beides wirkt sich positiv auf die Kosten der Entwicklung aus.

Instrumente vernetzen, Daten ­verknüpfen
Wer heute mit Produkt- und Prozessentwicklung zu tun hat, ist auf den sicheren Transfer von Daten und eine konsistente Datenbasis angewiesen. Transparente und zeitsynchronisierte Datenaufnahme sowie Datenspeicherung zählen zu den großen Vorteilen, die mit dem Einsatz von flexibler Leittechnik in der Verfahrensentwicklung verbunden sind. Oft sind in der Praxis die verschiedenen Erfassungssysteme wie Waagen, Temperiersysteme oder Rührer noch nicht vernetzt, und jedes Instrument nutzt ein eigenes Tool, um die Daten abzulegen. Die Schwierigkeiten liegen dann auf der Hand, nämlich die Daten korrekt und zeitfolgerichtig zu verknüpfen.
In einem Laboraufbau, der mit dem skalierbaren Leitsystem Simatic PCS 7 ausgestattet ist, archivieren die Wissenschaftler unterschiedliche Daten, die während eines Versuchsablaufes entstehen. Dazu zählen die aktuellen Messwerte und zusätzlich Informationen wie Meldungen und Alarme, die durch die Überwachung der Messwerte im laufenden Experiment entstehen. Dabei stellt das Leitsystem eine breite Anzahl von Kommunikationsmöglichkeiten bereit, um die Laborinstrumente anzubinden wie etwa Profibus, Profinet, Foundation Fieldbus, Modbus TCP oder Modbus RTU, ASCII-Kommunikation, IO Link und viele mehr.

Optimieren von sicheren ­Produktionsverläufen
Durch die implementierte Exportschnittstelle lassen sich die Daten komfortabel exportieren zum Beispiel in eine CSV (Comma-Separated Values )-Datei, um diese dann mit Hilfe geeigneter und speziell zugeschnittener Software zu analysieren und Erkenntnisse abzuleiten. Die Konvertierung in das PDF/A-Format (gemäß der ISO Norm 19005) stellt sicher, dass der Dokumenteninhalt über lange Zeit erhalten bleibt [3].
„Mit der Implementierung dieses modernen Leitsystems steigern wir signifikant die Stabilität der Versuchsdurchführungen. Wir profitieren hierbei von der Zuverlässigkeit des Simatic PCS 7 Systems, welches sich in tausenden Installationen bewährt hat, ohne auf die notwendige Flexibilität verzichten zu müssen. Außerdem profitieren wir vom vollständigen Informationsmanagement unserer gesamten Laborinstallation.", erklärt Dr. Frauke Jordt, Leiterin des Bereichs Engineering und Consulting bei Siemens in Frankfurt, die Vorteile der leittechnischen Installation in den Laboren für Verfahrensentwicklung und Prozesssicherheit.
Die Mitarbeiter des Bereichs Consulting analysieren im Auftrag von Chemieunternehmen Stoffdaten und erfolgskritische Parameter auf über 1.000 m² Laborfläche. Die experimentellen Arbeiten fließen in neue verfahrenstechnische Lösungen und die Optimierung von Prozessparametern ein - sie sind damit wesentlicher Baustein für die Entwicklung von effizienten Verfahren und die Errichtung von wirtschaftlichen verfahrenstechnischen Produktionsanlagen.
„Wir nutzen hier Simatic PCS 7 in einer ­Client-/Server-Architektur. Die einzelnen experimentellen Aufbauten wie zum Beispiel die Kristallisationsapperatur oder die Destillationskolonnen liefern die Informationen an einen zentralen Server. Die Sicherung der Daten beschränkt sich auf diesen Rechner, was den Zeitaufwand spürbar reduziert und die Verwaltung der Archivdaten wesentlich vereinfacht. Außerdem kann mit dieser Architektur sehr leicht eine Datenzugriffskontrolle verwirklicht werden. Clients müssen sich vor dem Zugriff auf bestimmte Daten bei dem Server authentifizieren", schildert Klaus Himmler, Leiter der verfahrenstechnischen Labore bei Siemens. Zudem erlaubt diese Architektur die flexible Erweiterung der Installation. Die Struktur der Laborinstallation sieht Arbeitsplätze für die verschiedenen Entwicklungsaufbauten vor und kann bei Bedarf flexibel erweitert werden.

Verbesserte Datenqualität und ­beschleunigte Entwicklung
Automatisch erfasste Daten aus unterschiedlichen Datenquellen und deren verlässliche Ablage verbessern die Datenqualität und die Informationsverfügbarkeit in Forschung und Entwicklung. Es stehen aussagefähige, zuverlässige und vollständige Informationen für den Import in dedizierte Analysesoftware zur Verfügung. Kein Wert wird somit vergessen oder versehentlich falsch eingegeben. Eine exakte Zeitstempelung, ohne manuellen Eingriff, schafft die Grundlage für effiziente Nachverfolgung und Auswertung. Neben den genannten Vorteilen bei der Erfassung und Speicherung der Informationen, bietet der Einsatz der PCS 7-Technologie weitreichende Möglichkeiten, die Qualität der entwickelten verfahrenstechnischen Applikationen signifikant zu steigern. Mit Hilfe der technischen und technologischen Funktionen stehen Hilfsmittel bereit, die verfügbaren Technologien zu strukturieren und zu vereinheitlichen, ohne die erforderliche Flexibilität zu vernachlässigen. Gleichzeitig wird die Entwicklung beschleunigt.

Literatur
[1] Übersichtsstudie Biomasse - Rohstoff der Zukunft für die chemische Industrie; Herausgeber: Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH, ISSN 1436-5928
[2] Hans-Jürgen Endres, Andrea Siebert-Raths: Technische Biopolymere, Hanser Verlag, ISBN 978-3-446-41683-3
[3] ISO 19005: Electronic document file format for long-term preservation, http://www.iso.org/iso/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=38920 

Dieser Beitrag beruht auf einem Vortrag der Autorin bei der ProcessNet Jahrestagung 2012 in Karlsruhe.