Automation ist der Schlüssel für hohe Produktivität. Und am Anfang der Automation stehen die Sensorik und die von ihr bestimmten Prozessdaten. Auch in Zukunft werden spezifische Lösungen für die eingesetzten Systeme und Komponenten benötigt, mit denen die ständig steigenden Anforderungen an die Sicherheit und Produktivität des Betriebs gelöst werden. Die Automation wird dabei um angrenzende und übergeordnete Aufgaben erweitert. Welche Rolle spielt dabei die Sensorik? CHEManager sprach dazu mit Anwendern, Herstellern und Verbänden über die Zukunft der Sensorik.

Geeignete Sensorik ist der erste Baustein einer effizienten Automatisierung. Auch in diesem Bereich sind noch wesentliche Innovationen möglich, die einen Beitrag zu effizienteren und sicheren Prozessen leisten können. Die Wünsche der Anlagenbetreiber in der Prozesstechnik reichen dabei weit: Von der frühzeitigen Erkennung von Belagbildung an den Sensoren, die Einfluss auf die Messqualität haben kann, bis hin zum umgreifendem Prozessverständnis gehen die Vorstellungen. Schon auf der NAMUR Hauptsitzung 2014 hat Dr. Thomas Steckenreiter, Bayer Technology Services und NAMUR Vorstand, die Wünsche der Anwender für smarte Sensoren formuliert und die Latte dabei recht hoch gelegt: „In Zukunft wird es Prozesssensoren geben, die ein Sensorsystem darstellen, das mehrere Messgrößen erfasst, sich automatisch in die Anlagenarchitektur integriert und sich selbst kalibriert. Daneben werden sich die Sensoren im Netzwerk optimieren, mit Betriebsdaten korrelieren und Handlungsanweisungen induzieren.“ War das zum damaligen Zeitpunkt noch teilweise provokativ gemeint, so kann man nach den Workshops und den Präsentationen der letzten NAMUR- Hauptversammlung 2015 sagen, dass wir auf dem besten Weg sind, diese Forderungen umzusetzen.

Bewährtes bewahren, Innovationen fordern

Die heute zur Verfügung stehenden Basis-Technologien werden die Welt der industriellen Messtechnik verändern, ist Günter Kech, Geschäftsführer von VEGA Grieshaber, überzeugt: „Die Vernetzung von intelligenter Sensorik und Aktorik mit Cloud-Diensten bietet vielfältige Möglichkeiten, die Effektivität und Verfügbarkeit von Prozessabläufen zu verbessern und am Ende natürlich Kosten zu sparen.“ Der Zeithorizont der Akzeptanz dieser neuen Möglichkeiten, so Kech, wird von den Kriterien abhängen, ob das Thema Sicherheit der Kommunikationskanäle gewährleistet ist und ob die einzelnen Komponenten so einfach wie heutige 4 - 20 mA-Geräte eingesetzt, getauscht und gewartet werden können. Für eine schnelle Verfügbarkeit von Lösungen, die für die Kunden fühlbare Vorteile bringen, ist eine gemeinsame Zielsetzung der Hersteller und der Kunden notwendig. Danach müssten dann entsprechende Standards definiert werden. Jedoch sieht es für Kech im Moment danach aus, dass jeder Hersteller seinen eigenen Vorteil in Teillösungen sucht.

Davon, dass Industrie 4.0 und IoT, das Internet of Things, unsere Prozessanlagenwelt in ähnlicher Weise revolutionieren wie das Internet unser Einkaufsverhalten oder die Informationsbeschaffung verändert hat, ist auch Christian Rützel, Abteilungsleiter Durchflussmesstechnik bei Endress+Hauser, überzeugt: „Smarte Sensoren werden, wie die Roadmap Prozesssensoren 4.0 der Namur richtigerweise postuliert, mit neuen Funktionalitäten über standardisierte und sichere Schnittstellen sowie Datenformate den Anlagenbetrieb an vielen Stellen vereinfachen und sicherer gestalten.“ Bei allen Neuerungen haben aber für die Welt der Prozesssensoren wichtige Grundanforderungen wie Robustheit, Genauigkeit oder Langzeitstabilität weiterhin hohe Bedeutung für eine wirtschaftliche und sichere Prozesssteuerung.

Miniaturisierung und Kommunikation

Die NAMUR-Hauptsitzung 2015 hat gezeigt, dass im Bereich der Sensorik noch wesentliche Innovationen möglich sind, die einen Beitrag zu effizienteren und sicheren Prozessen leisten können. Wilhelm Otten, Geschäftsgebietsleiter Verfahrenstechnik & Engineering bei Evonik Industries und Vorstandsvorsitzender der NAMUR, ist überzeugt, dass Entwicklungsprojekte in Richtung der Miniaturisierung der Konzentrationsmessungen wie ein „Micro Flame Ionisation Detector“ oder ein „Micro Mass Spectrometer“ ein großes Potential haben und bei einer erfolgreichen Umsetzung in der Praxis weite Anwendung finden werden: „Für die Optimierung der einzelnen Prozess-Schritte sind Verfahren notwendig, die räumliche Konzentrationsprofile ermitteln können“ betont Otten.

Auch die Überlegungen zum weitergehenden Remote-Betrieb der Prozessanlagen verlangen nach einer neuen Sensorik. Diese muss über die Prozessparameter hinaus den Gesamtanlagenzustand erfassen und mindestens die sensorischen Fähigkeiten des Menschen besitzen, um Geräusche und optische Veränderungen erfassen zu können (sekundäre Überwachungsebene). „Moderne Sensorik kann aber mehr als der Mensch, z.B. Infrarotüberwachung. Damit bietet sich mit der modernen Technik die Möglichkeit, die Anlagensicherheit noch zu verbessern,“ meint Otten. Dazu reicht aber die Erfassung von optischen Bildern, Schallemission und Infrarotbildern nicht aus. Wie der Mensch muss diese Sensorik die Signale auswerten können, um Abweichungen vom Normalbetrieb identifizieren zu können.

Sensoren werden in der Zukunft verstärkt untereinander und mit anderen Systemen kommunizieren. Dabei erscheint es wünschenswert, dass neben der Kommunikation des Sensors über das Automatisierungsnetzwerk zusätzliche, nicht rückgekoppelte Kommunikationskanäle zugelassen werden, um zusätzliche Funktionalitäten zu ermöglichen und große Datenmengen austauschen zu können - Big Data lässt grüßen. Was die Sensor-Aktor-Vernetzung angeht, sind sich Otten und Kech weitgehend einig: „Bisher werden in der Prozessindustrie Sensoren und Aktoren meist separat betrachtet. Hier sollten Sensor- und Aktor-Hersteller überlegen, ob nicht durch die Kombination von Sensor und Aktor inklusive der Kommunikationsschnittstelle vollständige cyber-physikalische Systeme entstehen, die komplette Regelkreise bilden“, fordert Otten.

Vom Messwertaufnehmer zum smarten Sensor

Die schnellen Fortschritte in der Informations- und Kommunikationstechnik ermöglichen immer intelligentere Elemente der Prozessautomation und erlauben damit komplett andere Systeme als heute. Dies betrifft auch die Sensorik: aus einem einfachen Messwertaufnehmer wird ein intelligenter, sich der Umgebung und des Kontextes bewusster, ein smarter Sensor.

Das erlaubt den Aufbau dezentraler statt hierarchischer Strukturen, und mit dieser Voraussetzung kann zukünftig leichter ein effizientes, intelligentes Automations-System konstruiert werden, das aus vielen kleinen intelligenten Systemeinheiten besteht. Ein intelligentes System ist ohnehin notwendig, um die komplexen Sensorarten, die die Sensor-Roadmap der NAMUR postuliert, sinnvoll nutzen zu können.

Komplexe Parameter wie chemische Zusammensetzungen – auch räumlich aufgelöst – erfassen und intelligent verarbeiten zu können, ist eine große Herausforderung. Hierfür gibt es zahlreiche Forschungsprojekten über die ganze Bandbreite der Thematik – vom physikalisch-chemischen Grundprinzip bis zur Vernetzung und darauf aufbauenden Mehrwertdiensten.

Mikroreaktoren und In-situ-Sensorik

Eines dieser Projekte hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Freiburg eingerichtet, bei dem die „Erfassung und Steuerung dynamischer lokaler Prozesszustände in Mikroreaktoren mittels neuer In-situ-Sensorik (ProMiSe)“ untersucht wird. Es sollen elektronische und optische Mikrosensoren und Messtechniken entwickelt werden, um chemische und physikalische Prozesse in mikrostrukturierten verfahrenstechnischen Anlagen besser zu verstehen sowie kostengünstiger und energieeffizienter zu gestalten.

ProMiSe umfasst vier Teilprojekte, in denen die gezielte Steuerung von Prozessen in Mikroreaktoren untersucht wird: Die Verdampfung von Flüssigkeiten, die für die Abwärmenutzung oder die Kühlung von Hochleistungsbauteilen in der Automobil- und Elektronikindustrie relevant sind, die heterogen katalysierte Direktsynthese von Wasserstoffperoxid als Schlüsselsubstanz einer grüneren Chemie, die photochemische Synthese von Arzneimittelwirkstoffen und deren photochemischen Abbau bei der Nanofiltration von Wasser sowie die hydrothermale Synthese funktionalisierter metalloxidischer Nanopartikel.

Mikroreaktoren sind modular aufgebaute, kompakte verfahrenstechnische Anlagen. Die Stoffe werden durch Mikrokanäle mit winzigen Abmessungen geführt, die teilweise wenige Mikrometer betragen. Dank der im Verhältnis zum Reaktionsvolumen besonders großen Oberfläche zeichnen sich Mikroreaktoren durch eine verbesserte Wärmeübertragung aus. Die kleinen Abmessungen der Mikrokanäle führen auch zu einer schnelleren Durchmischung. Überdies macht der Einsatz von Mikroreaktoren Prozesse sicherer, besonders bei extrem toxischen Stoffen oder zu Explosionen neigenden Reaktionen, da kleinere Einsatzstoffmengen in verteilten Produktionsläufen vor Ort verwendet werden können.

Bis jetzt sind die lokalen Prozesse in solchen Mikrostrukturapparaten noch nicht vollständig verstanden. Dies gilt vor allem für mehrphasige reaktive Strömungen, an denen zwei oder mehrere Phasen bzw. Fluide beteiligt sind. „Bessere, das heißt orts- und zeitaufgelöste Daten zu chemischen Reaktionen, Stofftransportvorgängen und Phasenübergängen in Verbindung mit einer durchgängigen Modellierung ermöglichen es, Prozesse gezielt effizienter zu gestalten“, erklärt Professor Roland Dittmeyer vom KIT, Sprecher von ProMiSe. „Dadurch lassen sich der Verbrauch an Einsatzstoffen und Energie sowie die erzeugten Abfallmengen minimieren, was zu kostengünstigeren und umweltfreundlicheren Prozessen führt.“

Mithilfe von elektronischen, elektrochemischen und optischen Mikrosensoren zur Echtzeit-Erfassung der Prozessparameter, die in den schwer zugänglichen Mikrokanälen integriert werden, wollen die Forscher nun Daten einer ganz neuen Qualität gewinnen und als Grundlage für ein erweitertes Prozessverständnis nutzen.

Prozesssensorik als Enabling-Technologie

Vier Kernthemen, die treibende Kräfte in der Prozessindustrie sind, beschreibt Dr. Jürgen Spitzer, Leiter Prozessinstrumentierung bei Siemens in Karlsruhe. Zum einen gibt es vom Markt eine zunehmende Nachfrage nach kürzeren Planungs- und Inbetriebsetzungszeiten, um die Time-to-Market zu reduzieren. Zum anderen erfordern immer individualisierter Produkte und kleinere Produktionsmengen eine höhere Flexibilität der Prozessanlagen. Darüber hinaus muss die Produktivität weiter verbessert werden und die Verfügbarkeit der Anlagen weiter verbessert werden, um einen optimalen Output sowie eine erhöhte Kosteneffizienz zu erreichen. Als Reaktion auf diese Anforderungen wird es, so Spitzer, eine steigende Nachfrage nach modularen Anlagen geben, die hochautomatisierte Fertigungsmodule mit Selbstdiagnosefunktionen, Fernwartungsmöglichkeiten und standardisierte und skalierbare Module für die dezentrale Fertigung erfordern. Mit derartigen Anlagen kann beispielsweise in der Pharmaindustrie leichter der Wunsch nach einer personalisierten Produktion erfüllt werden, oder auch die Flexibilität bei Chargenumstellungen in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie realisiert werden. „Eine wichtige Basis zur Realisierung solcher neuartigen Planungs- und Fertigungskonzepte ist die Digitalisierung. Getrieben durch steigende Rechenleistung, leistungsfähige Kommunikationsnetzwerke, neuartige Sensorkonzepte, Virtualisierung etc. ergeben sich völlig neuartige Möglichkeiten, die Produktivität, Effizienz und Flexibilität zu verbessen“ ist Spitzer überzeugt..

Die Prozesssensorik nimmt dabei eine wichtige Rolle als Enabling-Technologie für die Digitalisierung ein. Integrierte Daten aus allen Ebenen der Prozess- und Fertigungssteuerung sind die Grundlage für eine optimierte Produktion. Die Anforderungen an die künftigen Sensoren sind dabei sehr vielfältig, wobei eine grundlegende Forderung die deutlich einfachere Einbindung in eine integrierte Prozessführung ist („plug’n’produce“).

„Natürlich wird auch die Intelligenz der Feldgeräte weiterentwickelt. Im Sinne von smarten Sensoren werden wir eine Verlagerung von bestimmten Kontroll- und Regelaufgaben in die Feldebene sehen. Dafür sind Sensoren erforderlich, die eine erhöhte Funktionalität aufweisen, wie zum Beispiel multivariable Messgeräte, die Zusatzinformationen über die eigene Funktionsfähigkeit sowie über Prozessqualität und Anlagenzustand liefern können,“ meint Spitzer und ergänzt: „Andererseits sehen wir aber auch, dass durch Sensornetzwerke und so genannte „soft sensors“ in Kombination mit der Fähigkeit zur Analyse von großen Datenmengen („big data“) neue Möglichkeiten entstehen, um bisher nicht messbare Prozesswerte durch Algorithmen zu ermitteln. Dies kann dann entweder auf der Feldebene selbst geschehen, im Leitsystem oder auch in dafür spezifischen App(lication)s in der Cloud.“

Zusammenarbeit und Kommunikation für die Prozessanalyse

Je smarter die Sensorik wird und je tiefergreifender damit das Verständnis der Abläufe in den Prozess bis auf mikroskopische Basis hinab wird, je mehr Daten untersucht werden müssen, um aus „big data“ zu „smart data“ zu kommen, desto wichtiger wird die Zusammenarbeit zwischen Betreibern, Zulieferern und Partnern, um die Produktion sicherer, effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Das betont auch Dr. Manfred Jagiella, Vorstandsmitglied der Endress+Hauser Gruppe und CEO von Endress+Hauser Conducta: „Zuverlässige Prozesssensoren bilden die Basis für eine optimierte Prozesskontrolle. Die Messwerte müssen richtig, stabil und reproduzierbar sein. Wenn ein Sensor ausfällt, ist man ‚blind‘; dann helfen auch die besten Modelle in der Cloud nichts mehr.“ Datenanalyse in den Sensoren hilft, den Sensorstatus zu bestimmen und Prozessmuster zu erkennen. Smarte Sensoren heben die traditionelle Trennung von IT (Information Technology) und OT (Operational Technology) auf; somit werden IT Technologien bis auf die Feldgeräteebene eingesetzt. „IT-Sicherheit ist hierbei der Schlüssel zur Akzeptanz, denn wir begeben uns „jenseits der Firewall“ – eines der Fokusthemen in unserer Entwicklung“ sagt Jagiella und ergänzt: „Weiterhin benötigt man durchgehende und standardisierte Kommunikationsprotokolle vom Sensor bis hoch zum ERP System. Ethernet, WiFi und OPC-UA bieten diese Möglichkeiten.“ Connectivity und Daten allein bilden aber keinen Mehrwert. Daten-basierte Services sind für die Betreiber nur sinnvoll, wenn sie helfen, die Business Herausforderungen zu überwinden, z.B. Stillstandzeiten und Ausfallraten zu minimieren oder die Produktionsqualität zu verbessern. Generell gilt es hier, komplexe technologische Lösungen möglichst einfach nutzbar zu machen.  Beispielhaft nennt Jagiella hier die Heartbeat Technologie, in der Messsysteme sich selbst kontinuierlich auf korrekte Funktion prüfen, parallel und unabhängig zur eigentlichen Messfunktion oder auch die Memosens-Technologie, die jetzt bereits seit zehn Jahren bei der pH-Messung weltweit viele hunderttausend Mal im Einsatz ist.

Jagiella ist es wichtig, dass man bei dem Hype um das „Internet der Dinge“ die „Dinge“ selbst und damit auch neue Sensortechnologien nicht aus dem Auge verliert. Große Chancen sieht er für optische Verfahren: „Innovative laserbasierte Verfahren eröffnen völlig neue Möglichkeiten in der Prozessautomation“ und die Raman-Technologie, die auch dort neue Möglichkeiten eröffnet, wo z. B. die NIR-Spektroskopie ihre physikalischen Grenzen erreicht. Damit können z.B. konventionelle Gas-Chromatographen in der Petrochemie ersetzt werden. In der Life Science Industrie können mit Raman-Analysatoren der Glukosegehalt und viele weitere wichtige Messgrößen direkt in den Fermentern, „just in time“ und simultan, ohne Probenahme bestimmt werden.

Engineering mit digitalen Zwillingen

Smarte Sensoren, Selbstüberwachung und Diagnose oder Mehrkomponentenmessung sind  keine ganz neuen Themen, aber sie überschreiten alle die Möglichkeiten einer rein auf 20mA-basierten Kommunikation der Sensoren mit übergeordneten Systemen. Angemessene Lösungen hierfür gibt es mit Hart und den beiden Feldbussen Profibus PA und Foundation Fieldbus seit über 15 Jahren, aber die Akzeptanz ist nicht überall gegeben – trotz Berücksichtigung vieler der von den Anwendern formulierten Anforderungen, z.B. in der NE 107. Ein vielfach hierfür genanntes Argument ist die Integration der Sensorik in das Gesamtsystem. Hier haben in der Vergangenheit tatsächlich herstellerspezifisch bedingte Eigenheiten den Anwendern das Leben schwer gemacht, aber mit FDI, der Field Device Integration, zeichnet sich auch hier ein standardisiertes Verfahren ab, das auch einer zukünftigen Ethernet-Kommunikation den Weg bahnen kann.

Wenn smarte Sensorik einen Mehrwert bringen soll, spielt das Engineering eine bedeutende Rolle: Durchgängige Verfahren von der Planung bis zur Stilllegung einer Anlage versprechen Hilfe. Das betont auch Dr. Spitzer von Siemens: „Beim „Integrated Engineering“ wird der gesamte Prozess von der Anlagenplanung über die Inbetriebnahme bis hin zum End-of Life einer Anlage integriert. Die Basis dafür ist ein einheitliches Datenmodell, in dem alle Informationen hinterlegt sind und in dem der „as-is“- Status kontinuierlich aktualisiert wird. Siemens unterstützt dies mithilfe der Engineering-Umgebung Comos. Mit ihr wird bereits zu Beginn ein sogenannter „Digitaler Zwilling“ der Anlage erzeugt, der auf einem durchgängigen Datenmodell basiert und über den gesamten Lebenszyklus der Anlage hinweg zur Verfügung steht.“

Sensorik 4.0, Cyber Physical Systems und Industrie 4.0 kann dem Anwender in der Prozesstechnik nachhaltig Nutzen bringen, beginnend von einer verkürzten Time-to-Market und dann hinweg über den gesamten Lebenszyklus von Produkten und Anlagen hinweg durch die Phasen vom Anlagendesign über die Produktion bis zur Wartung. Übergreifende Integration aller Daten in durchgängige Datenmodelle sind Voraussetzung dafür, diesen Nutzen zu heben. Zuverlässige Konnektivität ist für diese Integration eine wichtige Voraussetzung. Hierzu bietet das umfangreiche Portfolio der industriellen Kommunikation angemessene Technologien zur Realisierung von Echtzeitkommunikation mit hoher Zuverlässigkeit und Bandbreite.

Fazit

Derzeit finden gravierende Veränderungen im Umfeld der Informations- und Kommunikationstechnik statt, die eine große Chance für die optimierte Prozessführung und Wertschöpfung mit darauf abgestimmten vernetzt kommunizierenden Sensoren bieten. Smarte Sensoren stellen Dienste innerhalb eines Netzwerks bereit und nutzen Informationen daraus. Dadurch ergibt sich aktuell die Notwendigkeit, die Anforderungen an Prozesssensoren sowie an deren Kommunikationsfähigkeiten detaillierter zu beschreiben – vom einfachen Temperatursensor bis über die heute in Entwicklung befindlichen Messsysteme hinaus –, da diese Technologieentwicklungen rasant voranschreiten. Vernetzte Sensoren sind die Voraussetzung für die Realisierung von Cyberphysischen Produktionssystemen (CPPS) und zukünftiger Automatisierungskonzepte für die Prozessindustrie, wie sie auch durch das Zukunftsprojekt „Industrie 4.0“ adressiert werden.

Wenn sich die Exzellenz der Forschung und das ausgeprägte Know-how der Gerätehersteller und Anwender zu Forschungskonsortien auf Augenhöhe zusammentun und das Wissen gemeinsam vorangebracht wird, kommen faire und gut durchdachte Technologietransferprojekte mit Sicherheit zum Erfolg. Neben der technologischen Weiterentwicklung der Prozesssensoren ist von Herstellern und Anwendern die hohe Verfügbarkeit der komplexen Technologie sicherzustellen, damit weiterhin Vertrauen in die Technik besteht – vom Anwender bis ins Management.