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Digitalisierung in der Flüssigkeitsanalyse

01 Automatisches Reinigungs- und Kalibriersystem Liquiline Control CDC90 von Endress+Hauser

01 Automatisches Reinigungs- und Kalibriersystem Liquiline Control CDC90 von Endress+Hauser

02 Kompakttransmitter Liquiline Compact CM82

02 Kompakttransmitter Liquiline Compact CM82

03 Liquiline Compact eignet sich gut für Tischfermenter

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04 Messen, kalibrieren und dokumentieren mit Memobase Plus CYZ71D

04 Messen, kalibrieren und dokumentieren mit Memobase Plus CYZ71D

Aktuelle Megatrends wirken sich bis in den Bereich der industriellen Messtechnik aus. Dabei stehen die daraus resultierenden höheren Anforderungen dem Wunsch der Anwender nach einer Senkung der Investitions- und Betriebskosten einer Messstelle gegenüber. Diese widersprüchliche Situation kann durch verstärkte Digitalisierung und Standardisierung der Messstelle gelöst werden. Endress+Hauser zeigt anhand von Messstellen der Flüssigkeitsanalyse die Vorteile auf und belegt diese an erfolgreich realisierten Umsetzungen.

Steigende Ansprüche an die Funktionalität von Messgeräten bei gleichzeitiger Ressourcenknappheit machen es erforderlich, dass mit weniger Personal und Energie eine höhere Anlagenverfügbarkeit und Produktqualität erreicht werden müssen. Dieser Trend wird durch gesetzliche Vorschriften mit strengeren Anforderungen, zum Beispiel an die Wasserqualität, weiter verstärkt.

Investitions- und Betriebskosten
Betrachtet man die gesamten Lebenszykluskosten einer Anlage, so teilen sich diese in Investitionskosten (Capex, Capital expenditure) und Betriebskosten (Opex, Operational expenditure) auf. Zeitlich entstehen die Investitionskosten bei der Planung, dem Bau und der Inbetriebnahme der Anlage. Dies kann eine Zeitspanne von mehreren Wochen bis Monaten umfassen.
Die Betriebskosten hingegen erstrecken sich über die gesamte Betriebsdauer einer Anlage – und die kann bis zu 25 Jahre oder mehr betragen. Werden an dieser Stelle durch Messtechnik und Prozessoptimierungen Kosteneinsparungen erreicht, tragen diese zur weiteren Minimierung der Gesamtlebenszykluskosten einer Anlage bei. Daher liegt der Fokus in den Industrienationen bei bestehenden Prozessanlagen überwiegend im Bereich der Erneuerung und Optimierung. In den Wachstumsmärkten werden in aller Regel komplette Neuanlagen geplant und installiert. Hierbei liegt das Gewicht auf hoher Digitalisierung und Automatisierung.

Digitalisierung intern wie extern
Die auf den ersten Blick widersprüchlichen Forderungen nach höherer Funktionalität bei gleichzeitiger Personal- und Kosteneinsparung lassen sich durch eine höhere Digitalisierung und Standardisierung erreichen. Beide Aspekte haben eine Bedeutung sowohl innerhalb der Messstelle als auch nach extern an das Gesamtsystem, in das die Messstelle eingebettet ist.
Der Trend hin zu „digitalisierten Sensoren“ ist aber nicht neu, sondern zeichnet sich bereits seit vielen Jahren ab. Daraus resultierend entstand zum Beispiel die Plattform der Memosens-Sensoren bei Endress+Hauser, die viele Daten einheitlich an den Messumformer liefern können. Dadurch lassen sich zum einen Kosten bei der Entwicklung und später auch durch die Vereinfachung von Inbetriebnahme und Konfiguration sparen. Dies schlägt sich letztlich positiv in den Investitionskosten nieder.
Daraus ergibt sich natürlich auch ein Mehr an Daten, für die die passenden Schnittstellen zur Verfügung stehen müssen. Die Messwerte und Diagnoseinformationen können über etablierte Feldbusschnittstellen übertragen werden. Das sichert die Investitionen der Vergangenheit und erlaubt eine flexible Optimierung bestehender Prozesssteuerungen. Parallel lassen sich neu generierte Zusatzinformationen über moderne Schnittstellen übertragen und verarbeiten. So können beispielsweise per Funk Zustandsdaten und Serviceinformationen bereitgestellt werden, die eine vereinfachte und optimierte Wartung oder Reparatur erlauben.

Digitalisierung benötigt Standardisierung
Damit die Vorteile der Digitalisierung überhaupt genutzt werden können, ist allerdings eine Standardisierung der Schnittstellen und Daten notwendig. Werden die technische Basis und die Semantik der Daten wiederverwendet, müssen auf der elektronischen Seite keine neuen Schaltungen entwickelt, getestet und zertifiziert werden. Und auf der Seite der Datenverarbeitung sind Algorithmen und Programme unverändert oder mit nur geringen Anpassungen einsetzbar.
Die standardisierten Schnittstellen sind häufig schon vorhanden. So findet auf der Sensorseite die Memosens-Schnittstelle, die von mehreren Anbietern unterstützt wird, vielfach Anwendung. Dabei erlaubt die standardisierte Memosens-Kupplung die flexible Verwendung von Sensorsimulatoren und Handmessgeräten unabhängig vom Sensortyp.
Für die Prozesssteuerung werden seit Jahrzehnten etablierte Feldbusprotokolle verwendet. Diese sind zunehmend mit Schnittstellen aus anderen Bereichen kombinierbar. Dies sind hauptsächlich Ethernet-Schnittstellen sowie Bluetooth oder WiFi als Funktechnologien. Diese Schnittstellen sind in allen handelsüblichen Notebooks oder Tablet-PC vorhanden und ermöglichen eine kosten- und zeiteffektive Servicearbeit mit Serviceplanung, Gerätekonfiguration, Dokumentationserstellung und Navigationsunterstützung für den Serviceeinsatz.
Einheitliche Schnittstellen sind aber nicht nur im Prozess von großer Bedeutung, sondern auch zwischen Prozess, Labor und weiteren Planungssystemen. Einerseits werden die Messwerte und die Diagnosewerte aus dem Prozess mit Labormessungen verifiziert. Andererseits wird die Prozesssteuerung auch durch Laborergebnisse angepasst. Auch hier funktioniert eine fehlerfreie Übertragung der Daten nur über standardisierte Schnittstellen, die den Sensor, die Messstelle, das Labormessgerät oder unterschiedliche Datenbanken miteinander verbinden.

Beispiele aus der Praxis
Dass diese Betrachtungen nicht nur in der Theorie Vorteile versprechen, sondern auch in der Praxis nachweisbar sind, zeigen eine Reihe von Beispielen aus unterschiedlichen Industriebereichen mit verschiedenen Anwendungen und Zielsetzungen.
Im Chemiepark Bitterfeld beispielsweise wurden ca. 100 Probenehmer über Ethernet und teilweise WiFi mit dem Managementsystem verbunden. Dadurch konnten die Betriebskosten gesenkt werden. Zusätzlich wurde eine Oberfläche erstellt, die die Daten aus der Datenbank aufbereitet und nach Kundenwunsch visualisiert. Dies diente der Optimierung der Wassernetzwerk-Überwachung und der Serviceplanung. Durch die Erweiterung der Probenahmestellen um die Geoposition ließ sich eine übersichtlichere Darstellung mittels Karte erzielen.
Ein weiteres Beispiel liefert das vollautomatische Reinigungs- und Kalibriersystem Liquiline Control mit Ethernet-Anschluss (Bild 1): Eine automatische Kalibrierstation verarbeitet die mittels Ethernet übertragenen Messwerte. Die Anbindung an die Leitwarte geschieht weiterhin per Feldbussystem. Für den Service bringen Ethernet- und Funkschnittstellen Vereinfachungen. Die Laborergebnisse können in einem zweiten Schritt an die Labordatenbank übertragen und bewertet werden. Durch die Optimierung der Reinigungs- und Kalibrierintervalle ist eine optimale Prozessführung möglich.
Ebenfalls ihren Nutzen in der Praxis unter Beweis gestellt hat die Laborsoftware Memobase Plus (Bild 4) mit Anbindung an Datenbanken und Qualitätssysteme: Über einen Adapter lassen sich Prozesssensoren direkt via USB-Schnittstelle an einen Computer anschließen und kalibrieren. Diese qualitätsrelevanten Daten werden zentral gesichert und sind über das Firmennetzwerk erreichbar. Über eine weitere Datenschnittstelle erfolgt die Übertragung der Ergebnisse von den Probenmessungen an das Qualitätssicherungssystem. Auf diese Weise werden die Qualitätskontrolle und Dokumentation der Produktion realisiert: Die automatische Datenübertragung über die Ethernet-Schnittstelle ist auditsicher, da kein manueller Zwischenschritt durchgeführt wird.
In Zukunft wird die Sensorüberwachung mit mobilen Endgeräten möglich sein: Hierbei übersetzt ein Edge-Device Daten vom Feldbussystem auf einen Server im Ethernet- System. Dadurch ist es möglich, mit mobilen Endgeräten die Diagnose und den Sensorzustand zu kontrollieren. Des Weiteren können diese Daten mit Lieferverfügbarkeitsangaben angereichert werden. Weitere Serviceoptimierungen ließen sich durch die Bereitstellung dieser Daten an andere Systeme, wie Bestell- und Dokumentationsprogramme, erzielen.
Und nicht zuletzt ist natürlich auch die Miniaturisierung ein wichtiger Trend, den es zu berücksichtigen gilt. So wird in einigen Anwendungen aus Platzgründen auf Messstellen verzichtet. Hier stellt der Transmitter Liquiline Compact (Bild 2 und 3) eine optimale Lösung dar. Er bietet volle Messumformerfunktionalität bei geringem Platzbedarf und überträgt die Messwerte über Standardschnittstellen. Der Transmitter kann über Bluetooth mit mobilen Endgeräten konfiguriert werden, wobei höchste Datensicherheit durch externe Prüfung verifiziert wurde. Dies erlaubt eine erhöhte Anzahl von Messpunkten oder Messdaten und somit eine genauere Prozessführung.

Fazit
Die genannten Beispiele veranschaulichen die Vorteile von Digitalisierung und Standardisierung im Bereich der industriellen Messtechnik recht umfangreich. Es ist davon auszugehen, dass zukünftig noch weitere Branchen und Anwendungen erschlossen werden. (ih)

Martin Lohmann ist als Gruppenleiter Produktmanagement Transmitter bei der Endress+Hauser Conducta GmbH in Gerlingen tätig. martin.lohmann@conducta.endress.com

Martin Lohmann ist als Gruppenleiter Produktmanagement Transmitter bei der Endress+Hauser Conducta GmbH in Gerlingen tätig. martin.lohmann@conducta.endress.com