Digitalisierung ist ein geflügeltes Wort in der Industrie. Sie verspricht, Prozesse effizienter zu gestalten. Messtechnik spielt dabei eine wichtige Rolle. An konkreten Beispielen erklärt Stefan Kaspar von Vega Grieshaber im exklusiven Interview, wie mit digitalen Lösungen die Dokumentation massiv vereinfacht wird. So lässt sich damit für die gesamte Produktion ein Überblick über den Zustand jeder einzelnen Komponente gewinnen, sollte es einmal Unregelmäßigkeiten im Produktionsprozess geben. Der Produkt-Manager beschreibt, wie Betreiber von Chemieanlagen mit herstellerübergreifenden Standards ihren Verwaltungsaufwand senken. Den Auftakt des Chem-Talks macht Wasserstoff als Energielieferant der Zukunft.
Herr Kaspar, Wasserstoff gilt derzeit als Hoffnungsträger zur Dekarbonisierung der Chemieindustrie. Aber das Handling ist nicht trivial, weil Wasserstoff sehr flüchtig ist. Welche Erfahrungen hat Vega hier gesammelt?
In der Chemieindustrie ist Wasserstoff schon seit Jahrzehnten ein bekannter Stoff. Seitdem haben wir für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten entsprechende Erfahrungen gesammelt. Beispielsweise nutzen wir bei Vega in der Druckmesstechnik speziell beschichtete Membrane, die eine Diffusion der kleinen Wasserstoff-Moleküle durch die dünne Druckmembran verhindern. Weil das Gas in der Regel gasförmig verarbeitet wird, kann es als solches nur mit einem Druckmessumformer gemessen werden. Bis 100 bar bieten sich keramische Messzellen an. Darüber hinaus arbeiten wir mit trockenen DMS-Messzellen mit entsprechender Beschichtung. Das geht hoch über die Druckstufen 300 bis hin zu 1.000 bar.
Aktuell wächst der Bereich der Wasserstoff-Erzeugung sehr stark. Das gilt besonders für klimaneutral erzeugten Wasserstoff mittels erneuerbarer Energien in Elektrolyseuren. Auch da kommt unsere Messtechnik zum Einsatz. Im Elektrolyseur messen wir unter anderem die Füllstände des Elektrolyts auf der Sauerstoff- und Wasserstoffseite und setzen freistrahlendes oder geführtes Radar ein. Zudem sichern entsprechende Grenzstände den Prozess ab. Wir freuen uns darüber, dass das Thema Wasserstoff Fahrt aufnimmt, sodass wir unsere Erfahrungen auch an neuen Stellen einbringen können, insbesondere wenn es zur Dekarbonisierung beiträgt.
Digitalisierung soll helfen, die Prozesse in der chemischen Produktion effizienter zu gestalten. Welche Rolle spielt das digitale Typenschild?
Das Zauberwort heißt digitale Dokumentation. Vega ist deshalb dem „Digital Data Chain Consortium“ beigetreten, das die Technologie des digitalen Typenschilds industrieweit standardisieren möchte. Seit langem tragen unsere Geräte bereits einen Barcode auf dem Typschild. Diesen kann man mit der Vega-Tools-App abscannen, um dann zur Dokumentation des Gerätes zu gelangen. In Zusammenarbeit mit dem Konsortium wird der Inhalt angepasst. Der Barcode wird in einen QR-Code umgewandelt. Dieser kann über die normale Kamerafunktion eines Smartphones abgescannt werden. So gut wie alle Beteiligten der Prozessindustrie sind hier mit an Bord. Das heißt, man kann künftig herstellerübergreifend an jeglichem Aktor, Feld- oder Auswertegerät mit einer Kamera-App das Typenschild auslesen und über einen Link zur Dokumentation des jeweiligen Gerätes gelangen. Im Moment landet der Interessent noch auf der Webseite des Herstellers. Zukünftig wird es eine standardisierte Cloud-Lösung geben, in der jeder Hersteller seine Dokumentation ablegt. Diese ist dann über das Typenschild zentral abrufbar.
Für den Betrieb einer chemischen Anlage bedeutet das eine enorme Erleichterung. Falls in einer Produktionsanlage ein Problem auftritt, muss man nicht mehr alte Ordner wälzen und nach der Betriebsanleitung und den Sicherheitshinweisen zu Geräten suchen. Über ein mobiles Device erhält man einfach Informationen über das Gerät, eine Fehleranalyse sowie die Möglichkeit der Störungsbeseitigung. Den Anfang hat unser Radar-Füllstandsensor „Vegapuls 6X“ gemacht. Hier wurde das Typenschild bereits auf diesen neuen Standard umgestellt. Auch alle anderen Messgeräte für die Chemieindustrie sollen bis zum Jahresende umgestellt werden. Dann genügen diese Typenschilder der Norm „IEC 61406“, die durch das Konsortium auch vorangetrieben wurde. Dieser herstellerübergreifende QR-Code kann auch als eindeutige Identifikation des Assets mit Link zur Dokumentation verwendet werden. Die Betreiber sparen sich damit sehr viel Dokumentationsaufwand, ohne Schränke voller Aktenordner, in denen regelmäßig Blätter ausgetauscht werden müssen - ein enormer Zeitgewinn.
Das hilft natürlich den Anlagenbetreibern bei der digitalen Dokumentation. Welche Rolle spielt in diesem Zusammenhang der neue Standard „VDI 2770“, der sich um die Mindestanforderungen an digitale Herstellerinformationen dreht?
Für Anlagenbetreiber ist es aktuell sehr schwierig, die Gesamtdokumentation einer großen Produktionsanlage zu erstellen. Jeder Komponentenlieferant übermittelte bislang seine Dokumentation in individueller Art und Weise. Der Betreiber muss aus der Vielzahl unterschiedlicher Informationen eine Gesamtdokumentation verfassen. Das ist sehr aufwendig und beansprucht viele Ressourcen. Hier soll der Standard „VDI 2770“ zur Standardisierung der Betriebsanleitungen Abhilfe schaffen. Die Betriebsanleitung wird hierzu in einzelne Kapitel mit vorgeschriebenem Inhalt unterteilt, wie beispielsweise für Montage oder den elektrischen Anschluss. Für seine verbauten Teile liefert jeder Komponentenhersteller standardisierte und serialisierte PDF-Dokumente. Diese werden um eine maschinenlesbare XML-Datei ergänzt. Es bleibt nur noch die Aufgabe, alle Teile zusammenzufassen, um die fertige Dokumentation der ganzen Anlage zu erstellen.
Das „Digital Data Chain Consortium“ steht auch hinter diesem Standard. Denn die Serialisierung wird wiederum über das digitale Typenschild auf den einzelnen Geräten ermöglicht. Alle Beteiligten setzen große Anstrengungen daran, den Standard zügig umzusetzen und die geforderten Informationen automatisiert bereitzustellen. Wir sind guter Dinge, dass wir das demnächst für die komplette Pro-Linie auf Knopfdruck anbieten können.
Wie spielt das Thema Ethernet APL dort mit rein?
Ethernet APL ist ein Riesenthema in der Prozessindustrie. Das ist ein komplett neuer digitaler Standard zur Übertragung von Daten. Nach wie vor werden über 90 Prozent der Feldgeräte mit 4 bis 20 mA Analog-Anbindung verkauft. Die Kommunikationsstandards Profibus und Foundation Fieldbus sind sehr komplex, sowohl in der Einrichtung als auch im Betrieb. Zudem lässt sich Digitalisierung nicht mit einem vier bis 20 Milliampere Signal betreiben, denn das Gerät kann nur einen Messwert übertragen. Wir wissen aber nicht, wie es dem Gerät geht. Es werden keine Zusatzinformationen ausgeliefert, die im Gerät haufenweise vorhanden sind. Deshalb arbeiten alle Hersteller daran, dass sich dieser neue Standard durchsetzt. Denn mit Ethernet APL kann man tatsächlich mit einer Zweitdraht-Schnittstelle Ethernet bis in die Feldebene bringen. Die Technologie lässt sich relativ einfach einrichten, sie funktioniert plug-&-play. Auch für Ex-Anwendungen in der Prozessindustrie setzen wir unsere Hoffnung darauf, weil wir damit erstmals die Möglichkeit bekommen, vom Rechner in der Steuereinheit bis runter ins Feldgerät ohne Übermittlungsverluste zu kommunizieren. Das eröffnet uns Möglichkeiten, von denen wir bislang nur träumen. Beispielsweise, dass ein Gerät automatisch sein Backup auf einen Server legt und sich dieses im Bedarfsfall wieder automatisch zieht. Oder dass die Dokumentation im Feldgerät liegt und gar nicht mehr irgendwo auf einem Server. Denn so ließe sich die Betriebsanleitung direkt über einen FTP-Server aufrufen. Die Bedienung kann vereinfacht werden, beispielsweise über HTML5 ohne Zusatzfunktionalitäten oder Zusatzhardware. Wir können nicht nur Messwert, Füllstand oder Druck übertragen, sondern auch die Elektroniktemperatur, auftretende Schwingungen, Vibrationen oder Zusatzdiagnoseinformationen, die vom Anlagenbetreiber gesammelt werden können. Über einen Algorithmus zur Anomalie-Erkennung ließe sich feststellen, wo Probleme auftauchen. Zusammengefasst sind plötzlich Dinge möglich, die heute aufgrund der begrenzten Bandbreite der Informationen noch nicht realisierbar sind. Wir sind Mitglied in der Ethernet-APL-Arbeitsgruppe, um diesen umzusetzen. Wir arbeiten bereits an ersten Geräten und gehen davon aus, dass es Mitte 2024 unser erstes Ethernet-APL-Gerät geben wird.
Wie berücksichtigt Vega die steigenden Anforderungen an Security und welche Rolle spielt diese schon heute im Entwicklungsablauf?
Viele unserer Messgeräte sind in der kritischen Infrastruktur, wie Wasser, Abwasser oder in Kraftwerken, zu Hause. Gerade für diese wurden die Anforderungen an die Security noch mal deutlich erhöht. Auch Chemiebetriebe zählen dazu. Noch vor ein paar Jahren war das Themenfeld für unser Unternehmen Neuland. Auch fehlte eine entsprechende Normengebung. Mittlerweile hat sich der Standard „IEC 62443“ für IT-Sicherheit in industriellen Automatisierungssystemen durchgesetzt, für Feldgeräte zum Beispiel. Mit dem Radarsensor „Vegapuls 6X“ haben wir das erste Gerät vollumfänglich nach diesem Standard entwickelt, der „Secure by Design“ ist, ähnlich wie „SIL* by Design“. Das heißt, wir haben schon von Beginn an Security-Gesichtspunkte bei der Entwicklung einbezogen. Überlegungen über potenzielle Angreifer, mögliche Szenarien über Angriffspunkte und der bestmögliche Schutz gegen solche Angriffe sind hier eingeflossen. Obwohl in der Praxis der Radarsensor im Chemiebetrieb wahrscheinlich nicht das erste Angriffsziel ist, müssen wir trotzdem unsere Hausaufgaben machen. Unser erklärtes Ziel ist es, dass jedes künftige Vega-Gerät auch nach diesem Standard entwickelt wird. So kann der Anlagenbetreiber sicher sein, dass die Geräte nicht nur ausfallsicher, sondern auch vor Manipulation geschützt sind.
Welche Möglichkeiten zur vereinfachten Durchführung und Dokumentation von Wiederholungsprüfungen nach WHG und SIL gibt es?
Das ist ein Dauerthema in der Chemieindustrie. Viele Messstellen sind sicherheitsrelevant, entweder als SIL-Messstelle oder als WHG*-Überfüllsicherungen. Es gibt vorgeschriebene, sich wiederholende Prüfungen, um Fehler der Geräte frühzeitig aufzudecken. Um diese zu vereinfachen, haben wir schon vor vielen Jahren mit „Vegaflex 80“ eine vereinfachte Prüfung über den DTM* eingeführt. Hier kommuniziert man mit dem Gerät, indem eine Wiederholungs-Algorithmus-Prüfung gestartet wird. Dadurch werden Fehler aufgedeckt und ein einfaches Protokoll erzeugt, das eine gültige Dokumentation der Überprüfung für die Prüfinstanzen erstellt. Mit dem „Vegapuls 6X“ sind wir einen Schritt weitergegangen. Es wurde ein eigener Radar-Chip entwickelt und direkt von Beginn an so viel Diagnose wie möglich eingebaut. Das Gerät arbeitet nach dem FMCW*-Verfahren. Das heißt, es wird ein in der Frequenz moduliertes Radarsignal dauerhaft ausgesendet. Das reflektierte Signal hat eine verschobene Frequenz und über diese Frequenzverschiebung wird der Abstand berechnet. In unserem Chip können wir so ein Echo-Signal virtuell erstellen und dem Gerät einspeisen. Der Hauptprozessor weiß natürlich, wann welches Echo eingepflanzt wurde, und so lässt sich die komplette Signalkette zurückverfolgen. Es wird geprüft, wie sich der Soll-Abstand zum Ist-Abstand verhält. Dieses Wissen bedeutet eine sehr große Prüftiefe, ohne dass der Füllstand geändert werden muss. Das ist eine Erleichterung für den Anlagenbetreiber. Über einen Assistenten wird der Prozess angestoßen. Man kann über Bluetooth, App oder drahtgebunden über DTM eine Dokumentation generieren, um einen Nachweis gegenüber der Überwachungsstelle vorzuweisen. Der Bediener braucht dafür keine speziellen Kenntnisse, wie es früher in der Radarmesstechnik notwendig war. Der Assistent gibt Schritt für Schritt vor, was erledigt werden muss. Am Ende hat man die Gewissheit, dass man das Gerät sauber geprüft hat und dass es weiterhin seinen Dienst tut.
Sie haben Ihr gesamtes berufliches Leben im Sensorbereich verbracht. Sind Sie auch privat von so viel Technik umgeben?
Nicht nur beruflich war ich eigentlich immer mit Sensorik in Kontakt. Auch privat habe ich Spaß daran. Das geht bei einer automatischen Gartenbewässerung mit Regensensor los, die auch den Wetterbericht mit einkalkuliert. So wird das Regenwasser aus der Zisterne nur dann verwendet, wenn es auch wirklich nötig ist. Und ich kann mit meinen Kindern Fußball spielen, statt mit der Gießkanne rund ums Haus zu wässern. Natürlich bin ich auch ein großer Fan von Spracheingaben. Es gab zwar rege Diskussionen, wo welche aufgestellt werden können, aber ich habe ein paar unkritische Zonen gefunden. Wenn man morgens alle Hände voll hat, Alexa einem erzählt, wie das Wetter ist und man so direkt weiß, was die Kids in den Kindergarten anziehen müssen, dann ist das echt praktisch. Auch habe ich große Freude daran, meine Kaffeemaschine damit ein- und auszuschalten. Zudem gibt es Lampen im Haus, die in verschiedenen Farben entsprechend der Stimmung leuchten, kombiniert mit der richtigen Musik. Und wenn man das über einen Sprachbefehl einfach startet, das ist schon cool.
Man macht sich natürlich Gedanken, was mit den Daten passiert. Zugegebenermaßen bin ich da sehr freizügig, weil ich mir denke, was wollen die mit unseren Gesprächen machen? Damit kann man eigentlich nichts anfangen. Von daher bin ich da entspannt.
Herr Kaspar, wir danken Ihnen für das interessante Gespräch!
*Redaktionshinweis:
- SIL = Safety Integrity Level; Maßeinheit zur Quantifizierung der Risikoreduzierung
- WHG = Wasserhaushaltsgesetz zum Schutz des Grundwassers vor Verunreinigungen
- DTM = Device Type Manager; diese enthalten Regeln und Dialoge für Konfiguration und Diagnose und ermöglichen Konfigurationswerkzeugen den Zugang über eine standardisierte Schnittstelle.
- FMCW = Frequency-Modulated Continuous Wave Radar; frequenzmoduliertes Dauerstrichradar, das ein kontinuierliches Sendesignal abstrahlt
