Die Realität ist hart für Automatisierer: Die Produktionsprozesse bestimmen, wie die Automationslösungen im Jahr 2018 auszusehen haben. Denn Automatisierung ist nichts weiter als eine Stütz- Technologie, die in erster Linie hilft, Produktionsprozesse zu beherrschen. Daher ist ein Ausblick auf die Automatisierung in der Prozessindustrie im Jahr 2018 und darüber hinaus vor allem auch ein Blick auf die künftigen Produktionsprozesse. Über Jahrzehnte haben sich die Verfahren nicht grundlegend geändert, lediglich ihr Maßstab wurde immer größer. Sicher, es gab neue Apparatetypen, deren Grundprinzip hat sich jedoch nicht geändert. Diese Stagnation in der Verfahrenstechnik führte zu einer Verselbstständigung der Entwicklung von Automatisierungstechnologien: In der Automatisierung stand und steht heute noch die Standardisierung und breite Anwendung von Technologien über viele Branchen hinweg im Vordergrund. Ziel der Anbieter ist, kostengünstigere Automatisierungskomponenten anbieten zu können.

Prozessindustrien stehen vor dem Umbruch

Hinsichtlich der Verfahrenstechnik hat sich diese Situation inzwischen grundlegend geändert, zumindest für die chemische und pharmazeutische Industrie. Seit einigen Jahren arbeiten nahezu alle großen Unternehmen und viele Universitäten an alternativen Produktionsprozessen: Die biologische Synthese, beispielsweise von pharmazeutischen Wirkstoffen, nimmt immer größeren Raum ein; die Mikro-Reaktortechnik ist auf dem Weg, sich in der Verfahrensentwicklung zu etablieren. Erste Produktionsanlagen sind bereits teilweise in Mikro-Reaktortechnik ausgeführt. Ebenso arbeitet die Pharma-Industrie bereits an Einmal-Reaktoren, die aufwendige Reinigungsschritte ersetzen und für eine größere Produktsicherheit sorgen sollen. Was macht die Automatisierung in diesem Spiel? Im übertragenen Sinne bringt es Rainer Perne, als Abteilungsleiter bei Bayer Technology Services für Applied Science and Biotechnology verantwortlich, auf den Punkt: „Während die Verfahrenstechnik bereits auf dem Platz ist und das Spiel schon lange läuft, sitzt die Automatisierungstechnik desinteressiert auf der Tribüne.“ Teilweise hat man als Anwender sogar das Gefühl, die Automatisierungsindustrie spielt auf einem Nebenschauplatz ihr eigenes Spiel: „Wireless Informationsübertragung und Informationsstandardisierung“. Dies sind sicherlich auch wichtige Themen, aber alleine nicht hilfreich, die anstehenden Entwicklungen in der Verfahrenstechnik zu unterstützen.

Der Trend zur Miniaturisierung wird die Feldinstrumentierung massiv beeinflussen, vor allem die Sensorik, die seit 10 bis 15 Jahren einem großen Wandel unterliegt und zu einem Paradigmenwechsel in der Prozessführung geführt hat. Online-Spektrometrie und Online-Chromatographie ermöglichen die direkte Messung nahezu aller Produkteigenschaften, so dass die Prozesse nicht mehr nur nach ihren indirekten Prozesseigenschaften geführt werden müssen. Stattdessen setzt sich die Prozessführung nach den geforderten Produkteigenschaften durch. Dies reduziert nicht nur den Ausschuss dramatisch und spart Personal aufgrund der nicht mehr erforderlichen Aufbereitung oder Entsorgung der nicht spezifikationsgerechten Produkte. Gleichzeitig erhöht sich der Durchsatz und der Energieverbrauch sinkt. Eine Reduzierung der Herstellungskosten um bis zu 10 % bei ROIs (Return on Invest) von deutlich unter einem Jahr wurde damit schon in vielen Produktionsanlagen erreicht. Diese Vorteile wollen Anlagenbetreiber sicher nicht verlieren, wenn neue Methoden der Verfahrenstechnik eingeführt werden.  

Die Herausforderungen

Die Chemie- und Pharmaindustrie braucht daher Sensoren, die alle Produkteigenschaften in biologischen Prozessen messen können. Darüber hinaus muss die Sensorik klein genug für Mikro-Anlagen und so preiswert sein, dass sie für einen einmaligen Einsatz geeignet sind oder sich leicht aus dem Produkt extrahieren lassen. Vor ähnlich komplexen Aufgaben stehen die Anbieter von Leitsystemen: Es ist kaum vorstellbar, dass sich eine Mikro-Reaktoranlage mit einem für heutige Großanlagen konzipierten Leitsystem betreiben lässt. Ohnehin sind Mikro-Anlagen oft inhärent sicher, das heißt nach dem aktuellen Kenntnisstand nicht explosionsgefährdet. Langfristig könnte für solche Anwendungen der Aufwand für Ex-geschützte Automatisierungstechnik wegfallen. In der Verfahrensentwicklung haben sich leicht zu konfigurierende, sehr flexible PC-gestützte Leitsysteme längst etabliert. Damit sich diese Technik in der Produktion als Leitsystem durchsetzt, müssen sie ebenso leicht konfigurierbar wie zuverlässig und räumlich sehr kompakt sein. Auch lassen sich Mikro-Reaktoren kaum mit dem heute üblichen „Kabelverhau“ verdrahten.

Herausforderung Miniaturisierung: An Mikro-Reaktoren ist kein Platz für klassische Sensoren, Pumpen oder Rührer.

Aus diesem Grund muss die Kommunikation zwangsläufig und konsequent drahtlos erfolgen. Eine der größten Herausforderungen wird jedoch die Prozessführung und die Logistik sein: Eine Anlage in der Großchemie produziert heute mehrere 100 000 t/a in einer Linie mit weitgehend einheitlicher Qualität. Ebenso gibt es Prozessführungsstrategien für einen von den aktuellen Marktbedingungen (Bestellungen, Bedarfsprognosen, Tagespreis) gesteuerten Durchsatz. Noch völlig offen ist dagegen, wie das bei vielleicht 1000 parallelen Mikro-Linien funktionieren soll. Ein Problem, an dessen Lösung bereits einzelne Unternehmen gemeinsam mit Universitäten arbeiten, dessen Antwort aber noch aussteht. Sicher ist nur, dass völlig neue Methoden der Prozessführung sowie der vor- und nachgeschalteten Logistikketten entwickelt werden müssen.

Eine relativ neue Idee der Produktion sind „Einweg-Reaktoren“ – speziell in der Pharmaindustrie mit ihren extremen Anforderungen an Reinheit. Diese verlangt aufwendige Reinigungsprozesse, gekoppelt mit einer umfassenden Dokumentation und Produktionsabfällen infolge der Reinigungsflüssigkeit.

Wegwerfen statt reinigen

Einweg-Reaktoren, etwa Kunststoffsäcke auf Schüttel-Platten angebracht, würden diese Problemfelder eliminieren. So einfach dieser Ansatz klingt, für die Automatisierung stellt er eine große Herausforderung dar: Das Schütteln vieler einzelner Kunststoff-Reaktoren lässt sich noch vergleichsweise einfach automatisieren. Aber die Vorgänge im Reaktor zu messen und den Prozess qualitätsorientiert zu führen, wird extrem schwer. Darüber hinaus sind viele Fragen offen:

• Sind Einmal-Sensoren sinnvoller als wieder verwendbare Mini-Sensoren?
• Wie kann die mit Sicherheit kabellose Informationsübertragung an das stationäre Leitsystem strukturiert werden?
• Welche Stellgrößen gibt es zusätzlich zur Schüttelbewegung?
• Wie sieht die logistische Anbindung aus?

Bei all den offenen Fragen steht eines fest: Mit der bisherigen Automatisierungstechnik wird das wenig zu tun haben. Jedoch gibt es einige sehr interessante Entwicklungen in der Automatisierungstechnik: Von großer Bedeutung sind die Miniaturisierung der Online-Analytik und deren Integration in die Anlagen. In zehn Jahren ersetzen „normale“ Feldgeräte die heute noch aufwendigen, teuren und großvolumigen Analysensysteme. Diese Prozess-Sensoren werden an Rohrleitungen und Apparaten anflanschbar oder sogar in anderen Sensoren integriert sein, beispielsweise in einem Durchflussmessgerät. Dies haben sich beispielsweise die Bayer Technology Service (BTS) in einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt in Kooperation mit den Firmen Krohne, BTS Ehrfeld Mikrosysteme und der TU Hamburg-Harburg exemplarisch für ein Massenspektrometer zum Ziel gesetzt.

Ein völlig neuartiges Planen und Entwerfen der Automatisierung

Wesentliche Änderungen der Automatisierungstechnik sind aber auch hinsichtlich der Prozessüberwachung und deren Diagnose zu erwarten. In dieser Hinsicht werden die Produzenten, vor allem die Anlagenfahrer, heute völlig überfordert. Dabei diskutieren Anbieter wie Anwender seit Jahren miteinander, wie sich am besten aus Daten Information und aus Information Wissen generieren lässt. Aber selbst in den modernsten Leitsystemen gibt es zu diesem Themenfeld allenfalls erste Lösungsansätze.

Im Jahr 2018 wird die Bedienoberfläche eines Leitsystems völlig anders aussehen – aussehen müssen, da in Zukunft immer mehr Messwarten zusammengelegt werden. Der Anlagenfahrer hat im Zuge dessen noch mehr Daten zu überwachen, Informationen zu interpretieren und darauf zu reagieren. Dies kann nur gelingen, wenn vorher entworfene Intelligenz und umfangreiches Prozess-Wissen in das System implementiert wurden. Solche Funktionen müssen dem Betroffenen situationsbedingt und rollenbasiert exakt die Information über den Prozess bereitstellen, die er im Moment benötigt. Sehr wichtig sind für den Operator dabei Prädiktoren, die Prozess- Entwicklungen voraussagen können, damit ausreichend Zeit für die Einleitung von Gegenmaßnahmen bleibt. Seit einigen Jahren geht es nicht mehr nur darum, Prozesse sicher, sondern auch am wirtschaftlichen Optimum zu führen. Um das zu erreichen, müssen Abweichungen vom Anlagenfahrer noch früher als heute zu erkennen und mit Unterstützung der Leittechnik zu korrigieren sein. Das funktioniert allerdings nur, wenn sich Prozessmodelle in die Leitsysteme integrieren lassen.

Anlagenbau von morgen: Tausende solcher Mikro-Anlagen ersetzen heutige Großanlagen.

Dies ist für Teilanlagen sicherlich einfacher als für eine komplette Produktionslinie. Daher liegt es nahe, an neue Architekturen in der Prozessindustrie zu denken, wie sie in der Fertigungsindustrie längst üblich sind. Die Prozessindustrie baut heute ihre Anlagen aus äußerst granularen Einheiten zusammen: Apparate, Maschinen, Rohrleitungen, Feldgeräte und Leitsystem werden separat geplant, bestellt, geliefert und vor Ort zusammengebaut. Zwar gibt es vereinzelt komplett vorgefertigte Einheiten (Package-Units), aber eine Chemie-Anlage vollständig aus vorgefertigten Teilanlagen zusammenzusetzen, wäre heute außergewöhnlich. In Zukunft sorgt der wirtschaftliche Druck dafür, dass solche Einheiten bereits mit der kompletten Automatisierung ausgerüstet sind. Das Leitsystem, falls man es noch so nennen kann, hat dann eher die Aufgabe, die einzelnen Einheiten zu „managen“.

Dies bedeutet ein völlig neuartiges Planen und Entwerfen der Automatisierung und ein konsequentes Anwenden von Strukturen, wie sie in der VDE 3682 bereits angedacht sind. Ein spezielles Thema wird die Anlagenverfügbarkeit und Wartung sein. Es ist einfach nicht genug, über Explorer- Bäume in die Feldgeräte hineinsehen zu können, nur um von Hunderten von Parametern „erschlagen“ zu werden. Das Ziel von Diagnose- und Instandhaltungs- Funktionen muss sein, frühzeitig zu erkennen, ob und wann der Zustand einer Prozess-Einheit aus dem Ruder läuft. Dazu gibt es bereits einzelne, rudimentäre Lösungen wie Fouling-Prädiktoren für einige Apparate. Generelle Lösungen, welche die Information über die Prozesseigenschaften systematisch nutzen, um akzeptable von inakzeptablen Zuständen zu unterscheiden, stehen jedoch erst am Anfang der Entwicklung.

Für die Integration der Automatisierung in die ITStrukturen eines Unternehmens sind dagegen alle Technologien vorhanden und werden genutzt, zunehmend auch flächendeckend wie beispielsweise von Bayer HealthCare bei einem globalen MES-Projekt. Wirkliche Innovationen sind auf diesem Gebiet nicht zu erwarten. Die Schwerpunkte der „neuen Automatisierung“ liegen in essenziellen Änderungen der Verfahrenstechnik und Prozessführung, in der Informationserfassung und deren Darstellung sowie dem aktiven Führen der Prozesse direkt in der Produktion.

Autor: Dr. Norbert Kuschnerus ist Geschäftsführer bei Bayer Technology Services in Leverkusen

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