Wie verhält sich ein Prozess, wenn sich Temperaturen verändern? Kann durch Modifikation die Qualität des produzierten Stoffes verbessert werden? Ist dadurch etwa ein optimierter Produktionsprozess möglich, beispielsweise hinsichtlich des Energieeinsatzes? Mit diesen und vielen anderen Fragen sehen sich die Mitarbeiter in verfahrenstechnischen Entwicklungsabteilungen konfrontiert. Hier gilt es, neue Produktionsverfahren zu entwickeln bzw. etablierte Verfahren fortlaufend zu optimieren.
Gerade letzteres ist heute oft notwendig, da Ersatz für Eingangsstoffe gefunden werden muss. Beispielsweise suchen Unternehmen nach Möglichkeiten, den Einsatz von petrochemischen Verbindungen zu reduzieren und so die Abhängigkeit vom Erdöl zu vermindern. Wenn fundiertes Wissen über die Machbarkeit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit eines neuen oder modifizierten Produktionsverfahrens effizient erarbeitet werden kann, verkürzt das die notwendige Zeit, um Produkte zu Marktreife zu bringen. Auch sollen im Verlauf des verfahrenstechnischen Prozesses möglichst wenig – oder im besten Fall keine – Reststoffe erzeugt werden, deren Entsorgung unter Umständen schwierig und kostenintensiv ist. „Nachhaltige Verfahren erfordern oftmals den Einsatz innovativer Hilfsstoffe, wie etwa besonderer Enzyme oder neuartiger Katalysatoren. Diese ermöglichen oft erst Reaktionen, um aus einfachen Ausgangsstoffen wertvolle Zwischen- und Endprodukte zu erzeugen“, macht Prof. Dr. Michael Bruns, Leiter des Bereiches Prozessautomatisierung von Siemens Industry Automation, deutlich. „Um neue Prozesswege zu finden und zuverlässige Informationen über deren Machbarkeit und Effizienz zu erhalten, sind umfangreiche Versuche notwendig. Daraus entstehen dann Produktionsverfahren, die hinsichtlich wichtiger Randbedingungen wie Robustheit des Verfahrens, Kosteneffizienz und beste Umweltverträglichkeit optimal sind.“ Zuverlässige und durchgängige Informationen über das Verhalten von Prozessen und Verfahren zu erarbeiten, ist Hauptaspekt der Entwicklungsarbeit. Da in dieser frühen Phase jedoch noch keine vollständigen Erkenntnisse hierüber vorhanden sind, ist ein System erforderlich, welches relevante Parameter sicher erfasst und überwacht. Hier können letztendlich entsprechende Algorithmen dafür sorgen, dass der Versuchsablauf, zum Beispiel beim Überschreiten von Temperatur- oder Druckbereichen, in einen sicheren Zustand überführt wird. Dies schützt die installierten Geräte und Aufbauten vor Zerstörung und die Mitarbeiter vor Verletzungen.
Skalierbarkeit und Flexibilität gefordert
Bewährte Prozessleittechnik kann hier für die notwendige Unterstützung sorgen. Zugeschnitten auf die Erfordernisse im Labor stellt Siemens Industry das kompakte und modulare Prozessleitsystem Simatic PCS7 Lab bereit. Es basiert auf den Standardkomponenten der Simatic-Familie und der in verschiedensten Applikationen tausendfach installierten Systemsoftware des skalierbaren Prozessleitsystems Simatic-PCS7. Mit dieser Hard- und Software erzielen Unternehmen heute in der Produktion die notwendigen stabilen Prozessabläufe, um den Anlagendurchsatz und Qualität der Produkte optimal zu gestalten.
Die Automatisierung von Laborarbeitsplätzen unterscheidet sich jedoch wesentlich von Produktionsanlagen: Hier wird Flexibilität gefordert. Das Automatisierungssystem – hier das Laborleitsystem – muss so einfach zu handhaben sein, dass beispielsweise der Einsatz eines neuen Instrumentes keinen Spezialisten für Leittechnik erfordert. Dies ist in zweierlei Hinsicht zu sehen: Neben der Verkabelung der Messgeräte muss auch die Parametrierung einfach vorzunehmen sein. Für den Anschluss der Instrumente stehen im Laborsystem zwei Möglichkeiten offen. Beide bieten vorkonfiguriert eine Anzahl an Kanälen (analog, binär). Dies ist zum einen ein E/A-Modul basierend auf dem dezentralen Peripheriesystem Simatic ET200 pro. Dieses eignet sich aufgrund der hohen Schutzart IP67 zur Montage direkt in den Laborabzügen. Laborinstrumente, die sich ebenfalls im Abzug befinden, werden mithilfe von standardisierten Steckern mit den Baugruppen verbunden. Dies vermindert wesentlich den Planungsaufwand für das Laborset.Für Applikationen, die keine hohe Schutzklasse erfordern, steht ein weiteres E/A-Modul aus der Simatic-Familie zur Verfügung. In diesem Modul lassen sich auch serielle Schnittstellen z.B. zum Anschluss von Laborwaagen integrieren. „Die steckbaren Verbindungen vereinfachen den Aufbau der Automatisierungstechnik wesentlich, da die Verdrahtung nicht mehr von elektrotechnischem Fachpersonal ausgeführt werden muss, und damit Wartezeiten auf Mitarbeiter entfallen, welche die Verkabelung vornehmen“, erläutert Miguel-Angel Fernandez, Leiter des Competence Centers Chemie von Siemens Industry Automation. „Wir bieten Standardkonfigurationen mit einer Auswahl an E/A-Komponenten an, die jedoch, zugeschnitten auf die Applikation, modifiziert beziehungsweise ergänzt werden kann. So ist die Flexibilität des Systems für die jeweilige Anwendung gewährleistet.“
Qualität entscheidet über Information
Konsistente und durchgehende Datenerfassung ist das primäre Ziel der Entwicklungsarbeit. Dazu ist es notwendig, den Prozess in strukturierter Art und Weise zu untersuchen, um sicher zu gehen, dass nichts übersehen wurde. Die systematische Veränderung der Parametersätze für Versuchsreihen ermöglicht es, dass mit einer minimalen Anzahl von Experimenten der Einfluss auf Ausbeute, Reinheit, Zyklusdauer oder andere Kriterien, ausreichend bestimmt werden kann.
Die lückenlose Erfassung und Dokumentation der ermittelten Prozesswerte ermöglicht die wirtschaftliche Auswertung der Versuchsergebnisse. Diese münden beispielsweise in optimierte Regelalgorithmen oder auch der Entwicklung von Modellen, die in Mehrgrößenreglern Verwendung finden. Zum Export der Werte bietet sich eine Export-Schnittstelle an, die die Datenübertragung in die Microsoft-Office-Welt – etwa nach Microsoft Excel oder Access – möglich macht. So können Versuchsreihen optimiert, automatisiert und vergleichbar ausgewertet werden. Entsprechend ist die Weiterverarbeitung in anderen, spezialisierten Anwendungen möglich.Ebenso sorgt die Integration eines elektronischen Laborjournals (ELN – englisch: electronic lab notebook) dafür, dass Ergebnisse vollständig dokumentiert werden. Die lückenlose Dokumentation von Experimenten – ob erfolgreich verlaufen oder nicht – hilft mit, Versuchswiederholungen zu vermeiden und so Ergebnisse schneller zu gewinnen. Die ELN-Funktionalität ist wesentlicher Bestandteil der Simatic IT R&D Suite. Die Software unterstützt wirkungsvoll die Versuchsplanung sowie das übergreifende Management der experimentell ermittelten Daten. Prozesswerte können auf Anforderung strukturiert in das Protokoll übertragen werden und stehen dort für weitere Verarbeitungs- und Analyseschritte bereit. So werden Ablese- und Übertragungsfehler vermieden, was die Qualität der Information deutlich verbessert. Diese Suite lässt sich je nach den jeweiligen Erfordernissen für lokale oder unternehmensweite (auch standortübergreifende) Informationserfassung aus F&E-Bereichen einsetzen. Sie dient als Plattform für Informationsaustausch und hilft mit, Versuche mit gleicher Zielsetzung und gleichem Aufbau zu reduzieren beziehungsweise ganz zu vermeiden. So entsteht eine beträchtliche Steigerung der Effizienz. Effiziente Forschung und Verfahrensentwicklung ist aber nur ein Teilaspekt, der den wirtschaftlichen Erfolg eines Unternehmens unterstützt. Anwender fordern heute von moderner Automatisierungstechnik, dass diese einen signifikanten Beitrag leistet, die Kosten über den gesamten Lebenszyklus der Anlage optimal zu gestalten. Dazu gehört, dass zum Beispiel Ergebnisse aus der Verfahrensentwicklung einfach im Up-scale der Anlage weiterverwendet werden können. Weiterhin muss das System flexibel sein, um den monetären Einsatz bei Änderungen oder Erweiterungen berechenbar zu halten.Mit Totally Integrated Automation (TIA) bietet Siemens ein lückenloses Angebot aufeinander abgestimmter Produkte, Systeme und Lösungen für die verfahrenstechnischen Branchen – von der Feldebene über die Produktionsleitebene bis zur Anbindung an die ERP-Ebene und von der Verfahrensentwicklung bis hin zur Produktion. Dies beeinflusst im positiven Sinne die Wettbewerbsfähigkeit der Kunden, zum Beispiel durch deutlich gesteigerte Verfügbarkeit der Anlage, höchste Qualität der hergestellten Produkte und die Möglichkeit, auf neue Marktanforderungen zum Beispiel durch Diversifizierung schnell und flexibel reagieren zu können.
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