Namur-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ Wegweiser für Prozess-Sensorik – die neue Namur-Roadmap für Sie zusammengefasst

Die Prozessindustrie steht vor gewaltigen Änderungen, die ohne Messtechnik nicht zu meistern sind. Schließlich soll nicht nur die Energieversorgung komplett umgekrempelt, sondern Herstellprozesse und Warenströme müssen neu beurteilt werden. Dafür benötigt man bessere Informationen. Unterstützung dabei leistet die aktualisierte Namur-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“.

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Kreislaufwirtschaft mit geschlossenen Stoffströmen, Dekarbonisierung und Nullemissionen sind inzwischen mehr als nur Schlagworte, sondern sollen in den nächsten 15 Jahren von der Prozessindustrie umgesetzt werden. Die Aufgabe ist gewaltig. Gelingen wird sie nur, wenn mehr, bessere und genauere Informationen aus dem Prozess verarbeitet und genutzt werden.

Bereits vor 15 Jahren setzte die Namur-Roadmap „Prozess-Sensoren 2005-2015“ einen ersten Impuls, indem sie systematisch beschrieb, welche Technologien in der Prozess-Sensorik vorhanden sind und in Zukunft gebraucht werden. Dabei brachte sie die Technologie- und Marktsicht von Anwendern und Herstellern zusammen und beschrieb den Handlungsbedarf im Bereich der Prozess-Sensorik in der verfahrenstechnischen Industrie. Nun wurde die Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“, ein Gemeinschaftswerk von Anwendern und Herstellern, veröffentlicht.

Entscheidende Rolle der Prozess-Sensorik

Prozess-Sensoren sind ein wesentlicher und kritischer Bestandteil von verfahrenstechnischen Anlagen. Die Anforderungen an Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Verfügbarkeit und Standzeit der Sensoren sind und bleiben auch in Zukunft dementsprechend hoch. Dabei müssen nicht nur die Sensoren mechanisch robust sein, sondern auch die Messung selbst.

Insbesondere für die Installation neuer Messsysteme in Bestandsanlagen muss die Schnittstelle zu den überlagerten Prozessleitsystemen verschiedene bewährte Datenschnittstellen unterstützen, genauso wie Langzeitstabilität und eine hohe Reproduzierbarkeit nötig sind.

Für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Anwendungen ist zusätzlich ein hohes Maß an Zustandsüberwachung und Selbstdiagnose erforderlich. Zusatzdaten aus den Messsystemen bieten sekundäre Prozessinformationen für die Instandhaltung. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die zuverlässige Bestimmung immer kleinerer Konzentrationen.

Die 19 Thesen der Namur-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“:

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Neue Anforderungen bei rezyklierten Materialien

Ein Blick auf die Rohstoffe zeigt: Die Verarbeitung rezyklierter Materialien stellt ganz neue Anforderungen an die Sensorik. Rohstoffe werden oft aus Feststoffen zurückgewonnen. Diese Feststoffe im Wareneingang oder im Recyclingverfahren (Trennung, Reinigung, Aufbereitung, Sortierung) zuverlässig und umfassend zu identifizieren ist eine komplexe Herausforderung, die bisher durch Analytik im Labor gelöst wurde. So sind viele Materialien als Compounds aufgebaut. Die Zwischenprodukte können inhomogen sein und zunächst beliebig viele Fremdstoffe enthalten. Gegenüber den gut untersuchten fossilen Rohstoffen ist die Zusammensetzung dieser Rohstoffe bisher weniger gut untersucht und sehr oft stark schwankend.

Innovative PAT-Messtechniken vonnöten

Stoffe und Herstellverfahren müssen weiterentwickelt werden, um der Forderung nach Nutzung nachwachsender Rohstoffe sowie der Energieeinsparung nachzukommen. Dies wird den Einsatz von Bioprozessen fördern. Für die wachsende biotechnische Produktion von Pharmazeutika werden neue innovative PAT-Messtechniken für deren Optimierung benötigt.

Gleichzeitig können beispielsweise eine gezielte Endpunktbestimmung und Verfolgung des Reaktionsverlaufs mithilfe der Prozessanalytik bedeutend zur Ressourcen- und Energieeffizienz beitragen. Und auch der gewünschte gesteigerte Einsatz von rezyklierten oder nachwachsenden Rohstoffen wäre ohne Sensoren nicht denkbar. Allerdings stellt gerade die hohe Variabilität dieser Stoffe neue Anforderungen an die Prozess-Sensorik.

Zeitnahe Informationen aus dem Prozess

Nicht nur die Sensoren selbst, auch die Strategie, wie diese eingesetzt werden, hat sich geändert. Zwar wird die schon seit vielen Jahren laufende Entwicklung, Laboranalyseverfahren in den Prozess zu übertragen, um Analyseergebnisse direkt und zeitnah aus dem Prozess zu erhalten, unvermindert weitergehen. Die bestehende Inline-Technik wird jedoch durch nichtinvasive Verfahren erweitert. Diese können insbesondere in der Freigabeanalytik für Rohstoffe sehr wirksam sein. Nichtinvasive Prozess-Sensoren bieten sich auch für die sogenannte ambulante Sensorik an. Das sind Sensoren, die nur für einen gewissen Zeitraum, z. B. bei An- und Abfahrprozessen von kontinuierlichen Prozessen, eingesetzt werden.

Eine weitere neue Messstrategie ist die Schwarmsensorik zur Anlagenüberwachung, wie in der Emissions- und Immissionsüberwachung. Einwegprozesse, also Prozesse, die in „disposable“ Behältern stattfinden, sind in der biotechnischen Pharmaproduktion mittlerweile Stand der Technik. Auch hier besteht noch weiterer Bedarf an angepasster Technik.

Intelligente Nutzung digitaler Daten

Mit der Digitalisierung werden Prozess-Sensoren „smart“. Schließlich generieren diese neben ihren reinen Messdaten auch ihre Zustandsdaten, die sogenannten Vitaldaten. Damit ist eine optimierte vorausschauende Wartungen erst möglich. Das Vorhalten aller für eine Integration eines Prozess-Sensors relevanten Daten ermöglicht zudem eine selbstorganisierte Systemintegration von Prozess-Sensoren.

Bei der Planung des Einsatzes von Prozess-Sensoren kommen digitale Zwillinge zum Einsatz, an denen dann Konfiguration und Parametrisierung separiert von der physischen Inbetriebnahme durchgeführt werden. Und um neue Geschäftsmodelle für Anwender und Hersteller zu etablieren, wie die Lieferung von Messdaten statt Messgeräten oder die Zusammenstellung neuer verfahrenstechnischer Anlagen mithilfe standardisierter Module, sind digitale Daten ebenfalls ein essenzieller Baustein.

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Interview mit Frank Grümbel, Lanxess, Namur-AK 3.6 Analysenmesstechnik

„Gerne mehr Flexibilität“

Frank Grümbel, Namur AK 3.6-Analysenmesstechnik, hätte gerne mehr Flexibilität beim Wechsel der Geräte.

Herr Grümbel, die erste Roadmap wurde bereits vor 18 Jahren auf den Weg gebracht. Was wurde von den Anforderungen bisher in der Praxis umgesetzt?

Frank Grümbel: Die Robustheit und Stabilität der Systeme sind auf einem guten Weg. Um nur ein Beispiel zu nennen: Wir haben bei Prozessanalysatoren mittlerweile bei Lanxess eine Verfügbarkeit von 99,5 Prozent erreicht. Das ist wirklich sehr gut. Auch bei der Standardisierung in Bezug auf Software- und Hardware-Schnittstellen sind wir mittlerweile einen Schritt weiter. Das ist vor allem wichtig, wenn es um die Einbindung der Systeme in unsere Leitsysteme geht.

Welche Wünsche wurden noch nicht erfüllt?

Grümbel: Hier möchte ich die Stichworte Miniaturisierung, kabellos und modular nennen. Wir hätten einfach gerne mehr Flexibilität beim Wechsel der Geräte, z. B. wenn wir eine NIR-Messung von Anlage A in die Anlage B umziehen möchten. Dazu muss man wissen, dass die Messdaten zwischen den Detektoren an der Anlage und den Geräten, die sich 120 Meter entfernt befinden können, über Lichtwellenleiter transportiert werden. Ein Umbau dieser Lichtwellenleiter ist sehr teuer und wird daher – wenn möglich – vermieden. Wir wären gerade in Vielstoffanlagen viel flexibler und hätten bei der Einbindung weniger Aufwand, wenn wir nur die NIR-Köpfe mit eigener IP-Adresse wechseln könnten. Dann könnten die Messmittel ihre Werte an das Leitsystem melden, und über einen anderen Kanal würde das Messmittel selbständig seine Vitaldaten melden.

Mit welchen Fragen müssen sich Hersteller und Anwender in Zukunft verstärkt auseinandersetzen?

Grümbel: Ganz klar mit der Standardisierung von Hard- und Software. Um ein Beispiel aus der pH-Messung zu nennen: Bei dem einen Hersteller heißt es Impedanz, und der Messwert befindet sich in Zeile 5, bei dem anderen Hersteller hat man es mit dem Begriff Glasimp zu tun, der in Zeile 25 zu finden ist. Das ist für uns sehr mühsam. Darüber hinaus werden wir uns mit dem Thema IT-Security beschäftigen müssen. Abschließend möchte ich noch die Integration von Künstlicher Intelligenz nennen. Wir haben z. B. 2000 pH-Messstellen an unseren Standorten. Eine schleichende Verschlechterung der Messgenauigkeit fällt erst sehr spät auf. Mithilfe der KI könnte man diese jedoch viel früher erkennen und diese Daten für eine zustandsorientierte Instandhaltung nutzen.

Was wird weiter benötigt? Um digitale Daten durchgängig und nahtlos verfügbar zu machen, bedarf es eines übergreifend standardisierten Informationsmodells. Das dafür spezifizierte Modell PA-DIM setzt auf OPC-UA-Definitionen auf und berücksichtigt auch Anforderungen an die Informationssicherheit. Damit ist auch der Zugang in die übergeordnete IT-Welt geöffnet, und die OT- und IT-Welten wachsen zusammen. Auch OT-Implementierungen können Multi-Cloud Architekturen nutzen, für die Cloud- und Edge-Anteile herangezogen werden können.

Um das oft formulierte Ziel einer einfacheren Inbetriebnahme zu erreichen, muss es möglich werden, eine Inbetriebnahme oder den Tausch einzelner Komponenten herstellerunabhängig durchführen zu können. Dazu bedarf es einer übergreifenden Taxonomie der Fähigkeiten, Dienste und Merkmale von Prozess-Sensoren. Basis ist das Konzept der Verwaltungsschale des Industrie 4.0 Referenzarchitekturmodells (RAMI 4.0).

Zugegeben die Liste der Aufgaben, Herausforderungen und Anforderungen an die Prozess-Sensorik ist lang. Umso wichtiger ist es daher, dass Hersteller, Forschung und Anwender an einem Strang ziehen.

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