Quo Vadis Prozessautomatisierung? Moore's Law und die Folgen für die Prozessautomatisierung

Autor / Redakteur: Michael Ziesemer* / Wolfgang Ernhofer

Alle 18 Monate verdoppelt sich die Prozessorleistung auf einem Chip. Diese statistische Beobachtung, die man mit Moore's Law beschreibt, treibt auch die Entwicklungen in der Sensorik und Messtechnik mit großen Schritten voran. Dieser Gastbeitrag von ZVEI-Präsident Michael Ziesemer sollte bei Anwendern wie Ausrüstern die notwendigen Diskussionen über die Zukunft der Prozessautomatisierung befeuern.

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Welche Entwicklungen beeinflussen die Sensorik, Messtechnik und Prozessautomatisierung und welche Auswirkungen wird dies für Anwender haben? Glaskugellesen auf die fachmännische Art.
Welche Entwicklungen beeinflussen die Sensorik, Messtechnik und Prozessautomatisierung und welche Auswirkungen wird dies für Anwender haben? Glaskugellesen auf die fachmännische Art.
(Bild: fotolia - Andrey Popov / industrieblick)

Wer kennt schon die Zukunft? Friedrich Schiller stellt unumwunden fest: „Nichts Wahres lässt sich von der Zukunft wissen.“ Und doch müssen wir uns mit ihr befassen. Wir wollen uns vorbereiten auf das, was da kommt oder mindestens was da kommen könnte. Auch die Zukunft der Prozessautomatisierung wird durch zahlreiche Trends und Entwicklungen beeinflusst, die in diesem Gastbeitrag – der auf einem Vortrag basiert – beleuchtet werden sollen.

Performance der Sensorik verändert sich radikal

Zunächst zu den technischen Trends. Dabei soll die Konzentration besonders auf Messtechnik und Sensorik liegen. Anwender in der Prozessindustrie wollen vor allem robuste Sensoren. Einmal eingebaut, sollen sie nach Möglichkeit über Jahre oder sogar Jahrzehnte ihre vorbestimmte Funktion erfüllen, Wartungsintervalle sollen möglichst lang sein – wenn man sie denn überhaupt braucht.

Diesen Anforderungen zu genügen, ist zuallererst eine Sache der Mechanik und der verwendeten Werkstoffe. Bei benetzten Teilen von Sensoren haben deshalb hochlegierte Stähle, Keramiken und Fluorkunststoffe große Bedeutung erlangt. Doch neu ist dies alles nicht. Ein robuster Sensor ist sodann möglichst weitgehend von den in der Verfahrenstechnik oft rauen Bedingungen des Prozesses entkoppelt. Der „berührungslose Sensor“ ist insoweit ideal – doch nicht immer erreichbar. Dieser Trend jedoch führte Mikrowellen, Ultraschall oder die Optik in breite Einsatzbereiche – beispielsweise in der Messung von Füllstand, Durchfluss oder Temperatur. Doch auch dieser Trend ist nicht wirklich neu – die geschilderte Entwicklung läuft bereits seit zwei oder drei Jahrzehnten.

Es gibt aber einen dritten Trend, und der ist wirklich neu. Es geht darum, die Analytik vom Labor in den Prozess zu verlagern. „Inline“ und „online“ statt Probenahme und warten auf die Resultate der Laboruntersuchung. Das wollte man zwar auch schon immer, doch nun ermöglichen es optische Verfahren wie beispielsweise die Raman-Spektroskopie. Nun kann per Laserstrahl durch ein Fenster zum Prozess das Zielmolekül – beispielsweise der Wirkstoff in einer Fermentation – unmittelbar gemessen und die gewonnene Information zum Zweck der Prozessführung verwendet werden. Wohlgemerkt, nicht die Messverfahren sind neu, aber schon ihre Verwendbarkeit in der Online-Prozessführung und sogar im geschlossenen Regelkreis.

Nächster Punkt ist die Digitalisierung. Die eben erwähnte Raman-Spektroskopie wäre ohne Technologien der Halbleiterindustrie, ohne Signalprozessoren und Software nicht denkbar und schon gar nicht auf einem Kostenniveau, welches nun den breiten Einsatz in „Process Control“ möglich macht.

So wird Plug and Play zur Realität

Auf der diesjährigen Hannover Messe waren auf dem Stand von Pepperl+Fuchs 2-Draht-Feldgeräte von Endress+Hauser mit Ethernet-Schnittstelle ausgestellt: Zweidraht – Hilfsenergie auf den zwei Drähten, Eigensicherheit und Ethernet – alles zusammen. Eindrucksvoll zu sehen, wie sich das Projekt selbst aufbaute, wenn der Stecker des Ethernet-Kabels in die I/O des Leitsystems gesteckt wurde. Wohlgemerkt, der Stecker befand sich auf der Leitsystemseite, nicht etwa im Feldgerät. Dort fanden sich robuste Klemmen – so wie es sein soll. Hier war kein zusätzliches „klicken“ mehr erforderlich und auch nicht die Installation eines DTM oder einer DD oder irgendeiner anderen Datei. Alle Daten sind nun im Feldgerät selbst.

Zum ersten Mal kommt die Branche dem oft postulierten und nie erreichten „Plug und Play“ nun also nahe. Ethernet im Feld: Das könnte die Antwort sein auf die digitalen Feldbusse, welche sich seit 20 Jahren im Markt etabliert und doch nur 15 bis 20 % Marktanteil gegenüber der analogen 4–20 mA-Technik mit überlagertem Hart-Protokoll erreicht haben.

Ethernet im Feld erst durch Moore's Law möglich

Warum wird das nun möglich und war doch nicht möglich, als Profibus und Foundation Fieldbus sich im Markt etablierten? Warum ist die Branche nicht gleich in diese Richtung gegangen? Vermutlich war es technisch schlicht nicht umsetzbar – wegen der Leistungsaufnahme, der Kosten, des Platzbedarfs. Nun wird es machbar, weil Moore`s Law seine Wirkung entfaltet. Dabei sollten wir vielleicht zunächst einmal feststellen, dass dieses „Gesetz“ überhaupt kein Naturgesetz ist. Es ist eine statistische Beobachtung. Gordon Moore, einer der Gründer des Halbleiterherstellers Intel hat es formuliert. Es besagt, dass sich die Prozessorleistung auf einem Chip – oder die Zahl von Transistoren auf einer gegebenen Chip-Fläche – alle 18 Monate verdoppelt. Moore hat dieses Gesetz 1965 formuliert. Seither hat sich diese Prognose mit erstaunlicher Präzision bewahrheitet.

Wir sehen, dieses Gesetz formuliert eine exponentielle Funktion. Mental macht uns das Probleme. Wir denken linear. Doch Moore`s Law sagt uns, dass in einem Jahrzehnt ein Chip zum gleichen Preis das 128-fache leistet oder gleiche Leistung zu weniger als einem Hundertstel des Preises erbringt. Das macht Anwendungen möglich an die gestern noch nicht zu denken war – beispielsweise Ethernet im Feldgerät. Dies wiederum könnte aber auch noch einen anderen Trend etablieren.

Mit Mühe gelingt es uns heute unsere Kunden vom Nutzen der Wireless-Sensorik zu überzeugen. Wireless Hart ist die eine Lösung im Markt – ISA 100 ist die andere dazu in Wettbewerb stehende. Wenn Ethernet ins Feld geht ist womöglich WLAN oder Wifi auf Dauer der Gewinner.

Industrie 4.0 aus der Perspektive der Automatisierung

Ein wichtiger Trend – vielleicht der wichtigste – ist ganz allgemein das Zusammenwachsen von Automatisierung und ITK. Eigentlich auch kein ganz neuer Trend. Nur die älteren erinnern sich noch daran, dass Hersteller von Leitsystemen eigene Bedien- und Beobachtungsstationen gebaut haben. Seinerzeit kosteten sie leicht 20 000 DM pro Stück und boten dafür den Bruchteil der Leistung eines PCs selbst älterer Bauart. Das hat sich gründlich geändert. Alles was aus der Office-Welt und dem Consumer-Bereich verwendet werden kann, wird auch in der Automatisierung eingesetzt, die selbst wiederum Teil einer integrierten und auf dem Internet basierenden firmen- und volkswirtschaftsübergreifenden Informationsarchitektur wird. Das ist der Weg in das „Internet der Dinge“ und die „Industrie 4.0“ aus der Perspektive der Automatisierung.

Ein paar Stichpunkte in diesem Zusammenhang: Datenbank-Technologien und die „Cloud“ werden gebraucht. Es folgen untenstehend noch Anwendungen, die zeigen werden, wie wichtig diese Technologien zukünftig werden. Und natürlich ist „Mobilität“ ein ganz wichtiges weiteres Stichwort. „Smartphones“ und „Tablets“ werden als Bedien- und Beobachtungsgeräte für Anwendungen in der Verfahrenstechnik eine große Bedeutung erlangen.

Sprengkraft von Industrie 4.0: Neue Geschäftsmodelle

Zum Thema „Geschäftsmodelle“ und „Prozesse“ eine – vielleicht sogar provokative – These: Die Digitalisierung von Geschäftsprozessen und damit verbunden die Entstehung neuer Geschäftsmodelle wird die eigentliche Sprengkraft von „Industrie 4.0“ entfalten. In den USA wird gesagt „Was digitalisiert werden kann, wird auch digitalisiert“. Das betrifft die Prozesse zwischen Produktion und dispositiven Aufgaben ebenso wie die Prozesse entlang des Life Cycle der Anlagen und die Prozesse in den Wertschöpfungsnetzwerken zwischen Lieferanten und Kunden.

In anderen Branchen ist das bereits geschehen – z.B. in der Medienwelt oder bei Hotels. Zwischen die und ihre Gäste haben sich in den letzten Jahren die Hotelportale geschoben – eine völlige Veränderung des Kundenzugangs und der Geschäftsprozesse. Viele der neuen Geschäftsmodelle sind Daten getrieben. Nicht umsonst heißt es mitunter, dass Daten das „Öl“ des neuen digitalen Zeitalters oder des 21. Jahrhunderts seien.

Daten-Beispiele aus unterschiedlichen Industrien

Dazu einige Beispiele – ganz bewusst nicht aus dem engeren Bereich der Prozessautomatisierung: Beim Betrieb von Flugzeugtriebwerken werden zahlreiche Daten erfasst und online übertragen. Damit lässt sich die Wartung optimieren. Wenn das Flugzeug landet, steht der Servicetechniker mit dem notwendigen Ersatzteil schon bereit. Was sich bei Flugzeugturbinen schon seit Langem rechnet, kehrt jetzt bei jeder Maschine ein: die Verbindung mit dem Internet, Betriebsdaten gehen in die Cloud, Analyse-Software macht aus Daten nutzbringende Information und auf diese Information stützen sich Dienstleistungen für den Kunden.

Ein Bereich in dem das gerade besonders dynamisch läuft, sind Gebäudeaufzüge. Wenn sie stehen ist das sehr ärgerlich – wir erleben es täglich. Nun werden sie mit dem Internet verbunden, liefern Betriebsdaten, daraus wird der Wartungsbedarf abgeleitet und die Wartung erfolgt zukünftig bevor der Aufzug überhaupt steht.

Aber auch in der Prozesstechnik gibt es erste interessante Beispiele: So kooperiert Gea, einer der größten Systemanbieter für die Nahrungsmittel verarbeitende Industrie, mit der SAP bei der Verwendung der „Hana-Technologie“. Daten aus Zentrifugen und aus Systemen der Gea gehen in die Cloud und werden von „Vibration Analysts“ genutzt. Das alles erfolgt mit dem Ziel neue Services anzubieten, darunter modulare Service-Level-Vereinbarungen und garantierte Maschinenverfügbarkeiten. „As a Service“ wird ein wichtiger Trend. Das gilt nicht nur für Software. Die neuen Business-Modelle aus der Industrie 4.0 kommen häufig in Gestalt von Dienstleistungen zum Anwender.

Ein weiteres Beispiel aus der Welt des Automobils: 35 % der Wertschöpfung eines Automobils entfallen heute schon auf Elektronik und Software. In wenigen Jahren soll der Anteil gar auf 50 % ansteigen. Sensoren, Systeme zur Motor- und Getriebesteuerung, Klimatisierung, Bremsung und Stabilitätskontrolle, aber auch das Navigationssystem und all die Assistenzsysteme, die der Verkehrssicherheit dienen, sind Beispiele dafür.

Pro Minute Fahrzeit entstehen drei bis vier Gigabyte Daten über diese Systeme. Auch mit diesen Daten kann großer Nutzen gestiftet werden, wenn das Automobil zukünftig Teil des „Internets der Dinge“ wird:

  • Ihr Navigationssystem sagt Ihnen nicht nur wo das Parkhaus ist, sondern auch, wie viele freie Parkplätze es gibt.
  • Diese Parkplätze können Sie dann auch reservieren.
  • Aus den gewonnenen Daten lässt sich heute schon die Wartung des Fahrzeugs optimieren.
  • Und aus der Bewegung der Fahrzeuge in einem bestimmten Straßenbereich lassen sich perfekte Verkehrsprognosen erstellen.
  • Sie können auch einen Wetterbericht aus diesen Daten ableiten. Denken Sie an die Temperaturmessung und die Daten des Scheibenwischers. Vielleicht können Sie sogar Glatteiswarnungen ableiten, wenn die Schlupfinformation der Räder dazu ausgewertet wird.
  • Die Daten im Automobil lassen auch Rückschlüsse auf Ihr Fahrverhalten zu. Eine erste Versicherung hat angekündigt defensiven Fahrern bessere Tarife zu bieten, wenn Sie der Versicherung Zugang zu Ihren Daten im Fahrzeug ermöglichen.

Spätestens jetzt stellt sich womöglich die Frage, ob man das denn überhaupt will. Wir müssen auch klären, wem die Daten, die im Fahrzeug entstehen, eigentlich gehören? Dem Fahrer, dem Eigentümer, dem Hersteller? Es sind also viele Fragen zu klären im Zusammenhang mit der Digitalisierung, die wir auch bei der Transformation dieser Beispiele auf die Prozessindustrie stellen müssen.

Damit zu den wichtigen Themen Datenschutz und Cybersicherheit: Letzteres ist eine wichtige Voraussetzung für Industrie 4.0-Architekturen. Es geht dabei nicht nur um den Schutz auf der Komponentenseite, sondern auch um ganzheitliche Schutzkonzepte und der Definition von Schutzzielen. Es geht nicht nur um den Schutz der Vertraulichkeit von Daten, sondern auch um die Verfügbarkeit kritischer Infrastrukturen wie dem Energiesystem, der Wasserversorgung oder Verkehrsinfrastruktur.

Weiterbildung 4.0

Und all diese Diskussionen und Erfahrungen müssen wir natürlich auch in der Prozesswelt führen und transferieren. Natürlich kauft kein Mensch auf der Welt heute Digitalisierung, Internet der Dinge oder Industrie 4.0, sondern Technologien und Lösungen. Daher braucht es mehr denn je den frühzeitigen und intensiven Austausch über die Zukunft in der Prozessindustrie. Die Diskussionen zwischen Ausrüstern und Betreibern müssen sich noch konkreter an den zukünftigen und individuellen Bedürfnissen des jeweiligen produzierenden Unternehmens ausrichten. Aber klar ist auch: Ohne intensive Weiterbildung unserer Mitarbeiter werden wir die großen Chancen aus den genannten Entwicklungen nicht heben. Ohne Weiterbildung 4.0 kein Industrie 4.0.

* * Der Autor ist COO bei Endress+Hauser sowie ZVEI-Präsident. Der Beitrag basiert auf einem Vortrag anlässlich der Achema 2015.

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