Experteninterview zu den Chancen der Digitalisierung für die Prozessindustrie

Dietrich, Endress+Hauser: In der chemischen und Öl&Gas-Industrie ist die Erfüllung aller gültigen ATEX- beziehungsweise IECEx-Richtlinien eine Grundvoraussetzung, um überhaupt in den Markt zu kommen. Hinzu kommen heute Anforderungen aus der funktionalen Sicherheit, wie SIL. Bei den Branchenportfolios für diese Industrien sind derartige Zulassungen selbstverständlicher Standard bei allen Endress+Hauser Produkten. Die Kunst bei der Entwicklung von Neuprodukten besteht nicht darin, so viel wie möglich reinzupacken, sondern eher, alles Unnötige wegzulassen. Produkte sollten die spezifischen Anforderungen möglichst genau erfüllen, aber dabei nicht „über-engineered“ und damit zu teuer sein. Wir erreichen das durch eine klare Segmentierung unseres Produktportfolios. Vor diesem Hintergrund haben wir die Flex-Struktur eingeführt, die unser umfangreiches Portfolio in vier verschiedene Segmente untergliedert, die auf vier unterschiedliche Kundenbedürfnisse ausgerichtet sind. Aktuell beschäftigen unsere Kunden Anforderungen der IT-Sicherheit. Hier ist Endress+Hauser zum Erreichen höchster Standards in Bezug auf die Sicherheit von digitalen Produkten und Dienstleistungen den nächsten Schritt gegangen. Durch die ISO27001-Zertifizierung erfüllen wir den international höchsten Standard für IT-Sicherheit.

Sack, Vega Grieshaber KG: Alle genannten Anforderungen sind wichtig, hängen jedoch bezüglich ihrer Priorität von der konkreten Anwendung ab. Hinzu kommt auf jeden Fall immer eine einfache Handhabung der Geräte. Der Explosionsschutz ist in vielen Bereichen der Prozessautomation zwingend notwendig und kein Hersteller kommt ohne ihn aus.

Schöppner, Jumo: Die von Ihnen genannten Attribute sind alle zu bewerten und natürlich auch zu gewichten. Der Fokus muss wiederum auf den Kundenanforderungen liegen, damit Lösungen entstehen, die sich 100%ig an den Anforderungen orientieren. Gerade der Explosionsschutz nach ATEX- und IECEx-Richtlinien ist ein essentielles Thema für die Prozessindustrie. Für diesem Bereich sind technische Lösungen verfügbar, die sich genau diesen Themen annehmen und damit die digitale Transformation, nicht nur für die Prozessindustrie, unterstützen. Als Sensorhersteller und Systemlieferant beschäftigen wir uns sehr intensiv mit diesen Themen und Herausforderungen. Durch intelligente Sensoren und Prozesse können kritische Anlagenzustände frühzeitig erkannt und ihnen entgegengewirkt werden, zum Beispiel für den Schutz durch Zündquellenüberwachung beziehungsweise -beherrschung. Wir haben speziell für diese Themen die Marke „Jumo Safety Performance“ ins Leben gerufen, in der wir Produkte und Know-how zu Themen rund um die funktionale Sicherheit bündeln.

Seibl, ZVEI: All diese Anforderungen müssen von der Prozessmesstechnik bzw. -automatisierung erfüllt werden. Daran arbeiten wir gemeinsam mit der Namur in der NOA-Initiative. NOA – die Namur Open Architecture – soll diese Anforderungen und Ziele der Prozessindustrie erfüllen, indem sie dafür sorgt, Wartungskosten zu reduzieren, ungeplanten Anlagenstillstand zu verhindern, Anlagenoutput zu erhöhen, Prozess- und Produktqualität zu verbessern und Energiekonsum zu verringern. Der Explosionsschutz nimmt in der Prozessindustrie einen sehr hohen Stellenwert ein. Im ZVEI beschäftigt sich damit ein eigener Arbeitskreis, der Herstellern die nötigen Informationen an die Hand gibt, um Anlagen sicher, state-of-the-art und anforderungskonform ausrüsten zu können.

elektro AUTOMATION: Die Einführung des Eigensicheren Ethernets (APL/Advanced Physical Layer) für die Prozessautomation wird unter anderem von der sogenannten APL-Gruppe vorangetrieben. Welche Ziele verfolgen die Unternehmen damit?

Dietrich, Endress+Hauser: Mit der APL-Technologie dringt die Ethernet-Technologie bis in die Feldebene vor. Anforderungen der Prozessindustrie sind u. a. Leitungslängen bis 1000 m, Energieversorgung und Kommunikation über ein 2-Leiter-Kabel und eigensichere Ex-Konzepte. Diese Anforderungen sind von bestehenden Ethernet-Standards noch nicht abgedeckt. Mit Ethernet-APL steht der Prozessindustrie nun eine sichere, zukunftsfähige Lösung für die Feldgeräte-Kommunikation zur Verfügung, die diese Anforderungen abdeckt. Federführend dabei waren die Organisationen FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation und PI sowie zwölf Industriepartner. Natürlich war auch Endress+Hauser von Anfang an maßgeblich daran beteiligt. Erste Praxistest von Profinet mit Ethernet-APL sind bereits bei den im Projekt beteiligten Unternehmen sowie bei Anwendern – zum Beispiel BASF – im Gange und erfolgreich absolviert. Im Juni wird die Ethernet-APL-Technologie fertiggestellt sein und im Rahmen der Achema Pulse offiziell vorgestellt. Auch wir von Endress+Hauser werden ein rundes Portfolio an Feldgeräten mit Ethernet-APL Kommunikation auf den Markt bringen.

Sack, Vega Grieshaber KG: Ethernet-APL wird den einfachen „Durchgriff“ mit bewährten Ethernet-basierten Protokollen von der System- in die Feldebene ermöglichen. Und das, inklusive der Versorgung der Feldgeräte, auch in explosionsgefährdeten Bereichen. Dadurch entstehen völlig neue Mehrwerte für den Anwender.

Schöppner, Jumo: Im Fertigungsumfeld beziehungsweise in der Fabrikautomation gehören die Themen Industrie 4.0 und Industrial Internet of Things bereits zum Alltag und die Kunden haben die Auswahl zwischen den unterschiedlichsten Lösungen. In der Prozessautomation sieht es hingegen noch etwas anders aus. Neben den ATEX- und IECEx-Anforderungen müssen große Reichweiten, die Energieversorgung über eine 2-Drahtleitung oder auch eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit der Daten realisiert werden. Während in der Fabrikautomation Ethernet und Ethernet-basierende Feldbussysteme Einzug gehalten haben, fehlte für die Anforderung der Prozessindustrie noch der richtige Standard. Diesem Thema stellt sich die APL Group.

Seibl, ZVEI: Das Ziel des APL-Projekts ist die Standardisierung einer Ethernet-basierten Kommunikation bis in die Feldebene der Prozessindustrie. Es kann hier als ein Baustein für die digitale Transformation angesehen werden. Ethernet hat sich zu einem de-facto-Standard auch in der Industrieautomatisierung entwickelt. Bisher hat diese Technologie aber die spezifischen Anforderungen der Feldebene in der Prozessindustrie (zum Beispiel Eigensicherheit) nicht erfüllt. Das APL-Projekt geht davon aus, dass diese Anforderungen nun durch den Advanced Physical Layer (APL) erfüllt werden können, um die Vorteile des Ethernet-Standards wie z.B. schnellere Datenübertragung und die vielen Internetprotokoll-basierten Tools auch in dieser Domäne nutzen zu können.

elektro AUTOMATION: Welche technischen Anforderungen muss das Ethernet mit APL erfüllen, um in der Prozessindustrie Akzeptanz zu erlangen und die 4…20-mA-Übertragung abzulösen?

Dietrich, Endress+Hauser: Die Prozessindustrie steht in puncto Automatisierung und Digitalisierung vor einem Umbruch. Es wurden sehr viele Entwicklungen, wenn man etwa an NOA denkt, angestoßen, in denen es darum geht, mehr Informationen aus dem Prozess zu erhalten, effizienter oder flexibler zu arbeiten. Ethernet-APL stellt als „Datenautobahn„ die notwendige Bandbreite für diese 2nd Channel-Applikationen zur Verfügung. Durch die verpflichtenden Conformance Tests werden alle APL Geräte zertifiziert, sodass die Interoperabilität sichergestellt wird. In Kombination mit höherliegenden Ethernetprotokollen wie beispielsweise PROFINET und dem dafür erstellten PA Profil 4 werden die Use Cases der Kunden erfüllt. Die Entwicklung von Ethernet-APL und dem PA Profil 4 wurde in enger Abstimmung zwischen Nutzerorganisationen, Herstellern und Anwendern durchgeführt. Dadurch ist davon auszugehen, dass die Technologie in der Prozessindustrie eine hohe Akzeptanz erreichen wird.

Sack, Vega Grieshaber KG: Einfach in der Handhabung, kompatibel mit allen Komponenten und mehrwertbringend.

Schöppner, Jumo: Die Ablösung der klassischen 4…20 mA Übertragung wird gelingen, da APL auf die Kernanforderungen der Prozessindustrie ausgelegt ist. Aus meiner Sicht sind dies die großen Übertragungslängen und das Thema Power over Data-Line, das heißt, die Energieversorgung über die 2-Drahtleitung. Zusammen mit den Übertragungsprotokollen und den daraus entstehenden Übertragungsmechanismen, wird die Technologie der Türöffner der Prozessindustrie zum Industrial Internet of Things werden.

Seibl, ZVEI: Die Anforderungen der Digitalisierung in der Prozessindustrie lassen sich dauerhaft nicht durch Kommunikationsprotokolle wie 4…20 mA (analog) realisieren. Unter anderem muss eine optionale Energieversorgung der angeschlossenen Prozesssensorik und -aktorik parallel zur Kommunikation (Power over Data Line) und der Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen gewährleistet sein. Es ist daher davon auszugehen, dass sich für neue Produktionsanlagen der APL-Standard sehr schnell durchsetzen wird, wenn die Anbieter ab 2021 erste APL-fähige Geräte auf den Markt bringen. In Bestandsanlagen wird diese Ablösung aufgrund des Investitionsaufwands sicherlich mehr Zeit in Anspruch nehmen.

elektro AUTOMATION: Auch in der Prozessmesstechnik gibt es eine große Vielfalt an Feldbus-Lösungen und Ethernet-Protokollen, (begonnen bei 4…20 mA und HART, HART IP; Modbus bis hin Profinet PA und FF). In der Fabrikautomation ist man mit OPC UA over TSN auf dem Weg zu einem einheitlichen Feldbusprotokoll der Zukunft. Gibt es vergleichbare Bestrebungen auch für die Prozessmesstechnik?

Dietrich, Endress+Hauser: Auch in der Prozessmesstechnik gibt es Bestrebungen, Kommunikationstechnologien ins Feld zu bringen, die es ermöglichen, die Potenziale der Digitalisierung nutzbar zu machen. Dazu zählt aktuell sicher Ethernet-APL. Bei den übergeordneten Systemen wie z. B. bei den Cloud-to-Cloud-Verbindungen wird auch in der Prozessmesstechik OPC UA eine wichtige Rolle spielen. Wir bei Endress+Hauser setzen auf eine standardisierte API-Schnittstelle. Diese ermöglicht höchste Flexibilität bei der Integration in IIoT-Systeme unserer Kunden.

Sack, Vega Grieshaber KG: Ethernet-APL ist ein Ansatz in diese Richtung. Erst auf Basis dieser breitbandigen Technologie können moderne Protokolle auch in der Prozessautomation bis in die Feldebene vorrangig eingesetzt werden. Letztendlich wird sich das Protokoll mit dem größten Nutzen für die Anwender durchsetzen. Dies wird aber aufgrund der langen Laufzeiten von industriellen Anlagen noch ein paar Jahre dauern.

Schöppner, Jumo: Ähnlich wie in der Fabrikautomation wird sich hier eine Lösung basierend auf OPC UA durchsetzen. Die Namur entwickelt gemeinsam mit den Geräteherstellern zurzeit das NOA-Informationsmodell, welches auf dem Standard OPC UA aufsetzt. Diesbezüglich wurden Namur- und ZVEI-Arbeitskreise installiert. Das NOA-Datenmodell ist die Basis dafür Daten einheitlich weiterverarbeiten und darüber Nutzen für die Anwender generieren zu können. Zusätzlich müssen natürlich auch weitere Messdaten (Vibration, Schock, Feuchte, usw.) aufgenommen werden können, um zum Beispiel Anlagenzustände oder -ausfälle besser analysieren zu können. Über Edge-Computing können auch in der Prozessindustrie Daten verdichtet und vorverarbeitet werden. Es macht keinen Sinn, alle anfallenden Daten in die Cloud zu bringen, dies würde vermutlich jeden Kostenrahmen sprengen. Es ist wichtig die richtigen Daten zu analysieren und weiterzuverarbeiten.

Seibl, ZVEI: Vergleichbare Bestrebungen hin zu einheitlichen Feldbusprotokollen gibt es auch für die Prozessmesstechnik – und zwar mit der Initiative Field Level Communication (FLC), in der auch Ethernet TSN adressiert wird. Das Anwendungsspektrum von OPC UA soll so auf die Feldebene nicht nur der Fabrik- sondern auch der Prozessindustrie erweitert werden.

elektro AUTOMATION: Das NOA-Konzept der Namur sieht vor, Daten aus dem Feld auf einem getrennten Kommunikationspfad in der Cloud zur Verfügung zu stellen. Unterstützen Sie dieses Konzept mit Ihren Sensoren und Geräten?

Dietrich, Endress+Hauser: Für die Umsetzung des NOA-Konzeptes bietet Endress+Hauser seit kurzem den Adapter Fieldport SWA50 an, mit dem Diagnose- und Monitoring-Daten von Feldgeräten auch aus Brownfield-Anlagen übertragen werden. Der Adapter Fieldport SWA50 ist Ex-i eigensicher, schleifenstromgespeist und kann für HART-Geräte aller Hersteller einfach nachgerüstet werden. Diagnose- und Monitoring-Daten der Sensoren können dann wahlweise via WirelessHART oder Bluetooth über ein Edge Device direkt in die Cloud übertragen werden. Dadurch wird das NOA-Konzept Realität. Wie bereits erwähnt wird auch Ethernet-APL das NOA-Konzept durch den durchgängigen Zugriff auf die Daten im Feld unterstützen.

Sack, Vega Grieshaber KG: Ja, dank einfacher Nachrüstung unserer Plics-Geräte mit dem Anzeige- und Bedienmodul Plicscom inklusive Funkschnittstelle ist ein getrennter Kommunikationspfad für kurze Distanzen eröffnet. Das funktioniert bei allen seit 2003 verkauften Plics-Geräten ohne Firmware-Anpassung. Für lange Distanzen bieten wir außerdem das Plicsmobile an. Als integriertes Modul oder Stand-Alone-Version ist eine Cloud-Anbindung der Sensoren via 2G, 3G und demnächst auch 4G möglich.

Schöppner, Jumo: Das Konzept werden wir natürlich unterstützen, es ist die Basis zukünftig in der Anlagenplanung und -konzeption berücksichtigt zu werden. Wir sprechen hier von Lösungen für das 21. Jahrhundert, denen wir uns proaktiv stellen.

Seibl, ZVEI: NOA bringt für Anwender wie für Hersteller Vorteile: „Gestrandete“ Vitaldaten sind nur mit riesigem Engineering-Aufwand zu erreichen und bleiben bisher in 80% der Anlagen ungenutzt. NOA verringert diesen Aufwand und macht den Anwendern mehr Daten zugänglich. Unsere Hersteller sind daher auch selbst sehr interessiert, NOA mit ihren intelligenten Sensoren und Geräten umzusetzen und so die Anlagenbetreiber zu unterstützen, die vorhandenen Daten auszulesen und auszuwerten. Namur und ZVEI haben eine enge Kooperation bei der Entwicklung des NOA-Konzepts und arbeiten in gemeinsamen Arbeitsgruppen an den Namur-Empfehlungen zum Informationsmodell, Diode/Security, Verification of Request und Maintenance+Optimisation (M+O)-Sensorik.

elektro AUTOMATION: Die Einsatzbreite in der Prozesstechnik ist vielfältig. Was bedeutet das für die Anforderungen an die Prozessmesstechnik in den einzelnen Segmenten? Welche Messverfahren bieten Sie für diese Segmente an?

Dietrich, Endress+Hauser: Unsere Kunden gewinnen mit unseren Produkten wertvolles Wissen aus ihren verfahrenstechnischen Anlagen. So können sie ihre Prozesse und die Qualität ihrer Produkte verbessern. Unser Produktportfolio richten wir konsequent auf die Anforderungen der verschiedenen Branchen aus. In der chemischen Industrie stehen Anforderungen wie ATEX, SIL, aber auch spezifische Werkstoffbeständigkeiten im Vordergrund. In den Life-Science- und Food-Industrien sind hingegen hygienische Anforderungen und Erfüllung von Qualitäts- und Dokumentationsstandards Grundvoraussetzung. Heute bieten wir für jede unserer sieben Fokusindustrien ein branchenoptimiertes Komplettportfolio für die wichtigsten Prozessmessgrößen an. Neben Standardmessverfahren wie Durchfluss, Druck, Temperatur, Analyseparameter, Füll- und Grenzstand werden zukünftig zunehmend Messverfahren mit hoher Selektivität wichtiger. Unter dem Begriff „Lab-2-Process“, bietet Endress+Hauser Qualitätsmessverfahren, die unmittelbar im Prozess spezifische Stoffeigenschaften bestimmen können. Moderne optische Verfahren wie Raman oder TDLAS eröffnen dabei neue Möglichkeiten. Deshalb haben wir in den vergangenen Jahren den Bereich der Prozessanalyse, beispielsweise durch die Übernahme der Firma Kaiser Optical Systems, die auf dem Gebiet der Raman-Technologie führend ist, gezielt gestärkt.

Sack, Vega Grieshaber KG: Wir haben uns auf die Messung von Füllstand, Grenzstand und Druck spezialisiert. In diesen Bereichen bieten wir ein Vielzahl elektronischer Messverfahren an. Egal, ob freistrahlendes oder geführtes Radar, Ultraschall, Radiometrie, Vibration, Kapazitiv, Konduktiv, Keramisch-kapazitiv oder Differenzdruck. Die Anforderungen der unterschiedlichen Prozesse in den verschieden Industriebereichen entscheiden über das optimale Messprinzip. Mit dem freistrahlenden Radar und der 80-GHz-Technologie haben wir heute aber das universellste Messprinzip zur Füllstanderfassung.

Schöppner, Jumo: Bei der großen Bandbreite werden sich die individuellen Anforderungen an die Sensorik beziehungsweise an die Instrumentierung aus dem Prozess heraus nicht groß verändern. Darunter verstehen wir zum Beispiel die mechanischen und klimatischen Einsatzbedingungen der Produkte. Spannend ist die Frage, wie sich die Anforderungen aus dem Blickwinkel der Prozessautomation verändern werden. Hier wird ein grundsätzlicher Wandel nicht aufzuhalten sein, in den man sich aktiv einbringen muss um erfolgreich in der Prozessmesstechnik zu sein.

Seibl, ZVEI: Insbesondere muss sie verlässlich sein – die Prozesse müssen auch unter Extrembedingungen, wie unter große Hitze oder bei eisigen Temperaturen, stabil ablaufen. Auch dabei unterstützt NOA übrigens, da es die Kernprozesse – auch bei Industrie-4.0-Anlagen – nicht beeinträchtigt. Zudem bedarf es einer breiten Anwendbarkeit: Unsere Mitgliedsunternehmen liefern in alle Branchen der Prozessindustrie wie Öl und Gas, Pharma, Chemie, Metallurgie, Lebensmittel, Energie, Wasser/Abwasser, und darüber hinaus zum Teil auch in die hybriden und diskreten Industrien.

Mehr Informationen zum Thema Namur Open Architecture (NOA):

Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG Colmarer Str. 6 79576 Weil am Rhein Tel. +49 7621 975–01 info.de@endress.com www.de.endress.com

Jumo GmbH & Co. KG Tel. +49 661 6003–0 Moritz-Juchheim-Straße 1 36039 Fulda

Vega Grieshaber KG Am Hohenstein 113 77761 Schiltach Tel. +49 7836 50–0 info.de@vega.com www.vega.com

ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. Lyoner Straße 9 60528 Frankfurt am Main Tel.+49 69 6302–0 zvei@zvei.org www.zvei.org