„Das noch nicht ausgeschöpfte Potenzial ist erheblich“ – Sensorik und Messtechnik für die digitale Chemieindustrie

Digitalisierung, Automatisierung und Flexibilisierung des Anlagenbetriebs – diese Themen treiben die chemische Prozessindustrie im Moment um. Eine zentrale Rolle spielen dabei Messtechnik und Sensorik, die die Produktion überwachen und Probleme frühzeitig erkennen. Doch bei der Entwicklung entsprechender Technologien ist noch Luft nach oben. Mit interdisziplinärer Zusammenarbeit soll sich das jetzt ändern.

Prof. Dr. Uwe Hampel, HZDR

Deshalb trafen sich Anwender und Sensorentwickler aus Industrie und Akademia beim Workshop „Sensorik für die Digitalisierung chemischer Produktionsanlagen – Anforderungen, Technologien und neue Lösungsansätze“, der von Wanted Technologies und der ProcessNet Fachgruppe Mess- und Sensortechnik initiiert wurde. Dort tauschten sie Erfahrungen aus, diskutierten aktuelle Herausforderungen, klärten Anforderungen der Anwender und identifizierten Potenziale. Das Ergebnis: Ein Blick über den Tellerrand kann vielversprechende Perspektiven öffnen. Im Interview erklärt Prof. Dr. Uwe Hampel (Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) unter anderem, warum die interdisziplinäre Zusammenarbeit in dem Bereich so wichtig ist.

DECHEMA: Was sind derzeit die typischen Problemstellungen für die Sensorik im Kontext der Digitalisierung von chemischen Produktionsanlagen?

Prof. Dr. Hampel: Die Messtechnik und Sensorik spielen neben der intelligenten Datenverarbeitung eine zentrale Rolle für die Digitalisierung von Produktionsprozessen. In der chemischen Industrie sind Produktionsanlagen heute zwar umfangreich betrieblich instrumentiert, allerdings konzentriert sich die Sensorik auf wenige Prozessgrößen, wie etwa Druck, Temperatur, Füllstand und Durchfluss. Gerade für eine Flexibilisierung des Anlagenbetriebs bedarf es zukünftig mehr Sensorik zur engeren Überwachung des Anlagen- und des Produktzustandes und zur Früherkennung nichtbestimmungsgemäßer Betriebszustände. Stichworte hier sind Komponentenverschleiß, Fouling oder Schaumbildung in Apparaten. Insbesondere ist eine enge Überwachung von Anlagenparametern bei Inbetriebnahme, Anfahr- und Abfahrvorgängen sowie Durchsatzänderungen erforderlich.

Durchgehende Digitalisierung von der Messstelle bis zum Leitsystem

Ein weiteres Problem ist die kontinuierliche Analyse von Edukt- und Produktzusammensetzungen, etwa zur frühzeitigen Erkennung von Katalysatorproblemen oder Verunreinigungen, zum Beispiel von Vorprodukten. Dafür ist die vorhandene betriebliche Instrumentierung sowohl bezüglich der von ihr erfassten Informationen als auch der von ihr bereitgestellten Schnittstellen und Datenformate nicht ausreichend.

Aus Sicht der Automatisierungstechnik ist ebenfalls eine durchgehende Digitalisierung der Messwerterfassung, von der Messstelle bis zum Leitsystem, erforderlich. Dabei ist zu berücksichtigen, dass neben den klassischen Feldsensoren zukünftig auch Sensorik in die Prozessautomatisierung integriert werden soll, die digitale Massendaten generiert. Beispiele hierfür sind Prozessspektrometer oder bildgebende Messsysteme, wie etwa Infrarotkameras.

Beim Workshop diskutiereten die Teilnehmer, wie sich Anforderungen und Angebote von Anlagenbetreibern, Anlagenherstellern und Messtechnikentwicklern vereinbaren lassen.

Bei welchen Fragestellungen wurden im Workshop Fortschritte erzielt, und wie sehen diese aus?

Vorrangigste Aufgabe des Workshops war es, die Sicht und Anforderungen von Anlagenbetreibern und Anlagenherstellern mit der Sicht und den Angeboten von Messtechnikentwicklern zusammenzubringen. Dazu wurden zunächst Problemstellungen aus verschiedenen Bereichen der chemischen und pharmazeutischen Industrie sowie des Anlagenbaus in sechs Impulsvorträgen erläutert. Messtechnikentwickler erhielten die Möglichkeit, ihr Kompetenzportfolio im Rahmen einer Posterdiskussion vorzustellen. Danach wurden in Gruppendiskussionen Bedarfe und Lösungsvorschläge für die Teilgebiete Zustandsüberwachung von Anlagen, Messung stoffbezogener Größen, Sensorintegration in Anlagen und Sensorkommunikation und Sensordatenverarbeitung diskutiert. Mit mehr als 60 Workshop-Teilnehmern war das Interesse an der Thematik enorm und die Diskussion intensiv.

Entsprechend war ein erstes wichtiges Ergebnis des Workshops, dass ein breiter Erfahrungsaustausch zwischen Beteiligten verschiedener Branchen stattfand und basierend darauf Anwenderwünsche und Anforderungen an Sensorik für digitale Produktionsanlagen formuliert werden konnten. Die Entwickler von messtechnischen Lösungen, unter denen viele kleine und mittelständische Unternehmen, aber auch Forschungsinstitute und Lehrstühle an Hochschulen sind, verfügen sehr oft über intelligente und smarte Konzepte und Lösungen, die teilweise für ganz andere Anwendungsfelder, etwa Medizintechnik, Fahrzeugbau oder Energie- und Umwelttechnik, erarbeitet wurden.

Übertragung von Lösungen aus anderen Bereichen in die chemische Produktion

Ziel war und ist es herauszufinden, ob solche Lösungen in die digitalisierte chemische Produktion überführt werden können. Dazu ist aber vor allem die Kenntnis der teils strengen Anforderungen im Bereich Anlagensicherheit, Robustheit und Sensorintegration in Prozessanlagen erforderlich. Hier wollen wir einen verstärkten Wissenstransfer in Richtung der Messtechnikentwicklung anstoßen, um diese Anforderungen frühzeitig in der Sensorentwicklung berücksichtigen zu können. Ganz konkret wurden natürlich im Rahmen der Kleingruppenarbeit relevante Anwendungsfragestellungen erarbeitet. Hier möchte ich auf unser in Kürze erscheinendes Positionspapier verweisen, welches diese konkret benennen wird.

Wie wichtig ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit in diesem Bereich?

Wenn der Workshop etwas gezeigt hat, dann ist es die Bedeutung interdisziplinärer Zusammenarbeit. Die Entwicklung von Messtechnik und Sensorik ist durch die akademischen Disziplinen der Physik, Elektrotechnik und Informatik dominiert; die Chemieverfahrenstechnik durch das Maschinenwesen. Es gibt in der Tat nur wenige Experten, die auf beiden Gebieten über umfangreiche theoretische Kenntnisse und praktische Erfahrungen verfügen. Diese Welten zusammenzubringen war ein wichtiges Anliegen des Workshops.

Informations- und Wissenstransfer für Messtechnik und Sensorik

Darüber hinaus gibt es Lösungen für Messtechnik und Sensorik in den verschiedensten Bereichen von Industrie und Gesellschaft. Das noch nicht ausgeschöpfte Potenzial ist erheblich und muss durch kontinuierlichen Informations- und Wissenstransfer gehoben werden. Natürlich hoffen wird, dass unserem Workshop und der damit einhergehenden Vernetzung nun auch interessante Forschungs- und Entwicklungsprojekte auf diesem Gebiet folgen werden.

Welche Fragen wurden insgesamt am lebhaftesten diskutiert?

In der Tat sehr viele, denn es gab ja eine mehrstündige intensive und lebhafte Arbeit in Kleingruppen. Stellvertretend nennen kann man hier die Fragestellungen, welche neuen Messtechniken für eine Zustandsbewertung großer Prozessanlagen geeignet sind, wie eine robuste Integration von Sensorik in Betriebsanlagen aussehen muss und welche Anforderungen für die Digitalisierung der Prozessmesstechnik bestehen.

Welche Anregungen und Wünsche haben die Teilnehmer eingebracht?

Aus Sicht der Anwender war es vor allem der Wunsch nach der Verfügbarkeit einfacher, sicherer und wartungsarmer Sensorik, die gegebenenfalls im Rahmen von Trouble-Shooting einfach nachrüstbar oder im Rahmen von Inbetriebnahmen kurzzeitig einsetzbar sein sollte. Auch multifunktionale, parametrierbare Sensorsysteme, die je nach Bedarf unterschiedliche Informationen von einer Messstelle bereitstellen, sind angesichts der Kosten für Installation und Vernetzung wünschenswert und durch preiswerte Mikrosensoren auch realistisch. Aus Sicht der Lösungsanbieter ist es vor allem wichtig, Probleme und Anforderungen aus dem Anlagenbetrieb zu kennen, um daraus neue Lösungsansätze erarbeiten zu können.

Was war für Sie ganz persönlich die wichtigste Erfahrung in diesem Workshop?

Für mich persönlich die wichtigste Erfahrung war, dass das Thema in einer offenen Atmosphäre und mit viel Interesse und Enthusiasmus breit diskutiert wurde und alle Teilnehmer mit wichtigen Anregungen und neuen Ideen in ihren Arbeitsalltag zurückgekehrt sind. Daran zeigt sich, dass das Thema insgesamt hochaktuell ist und von den Veranstaltern des Workshops, denen ich hiermit noch einmal herzlich für ihre intensive Vor- und Nachbearbeitungsarbeit danken möchte, weitergetragen wird.

Vielen Dank für das Gespräch!

Die nächsten Termine für alle Interessierten in Messtechnik, Sensorik und Prozessanalytik:
15. Herbstkolloquium Prozessanalytik, 25.-27. November 2019, Marl
14. Dresdner Sensor-Symposium, 2.-4. Dezember 2019, Dresden

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