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Donnerstag, 21. März 2019

Prozessindustrie

„Digitalisierung erhöht die Anlagensicherheit“

Von Martin Ciupek | 14. Juni 2018 | Ausgabe 24

Kritische Situationen lassen sich durch stärkere Automatisierung besser bewältigen, sagt Siemens-Manager Jürgen Brandes.

Brandes-BU
Foto: Siemens AG/Erich Malter

Jürgen Brandes, Siemens  AG, erwartet, dass Produktionen, die nach Asien verlagert wurden, durch digitale Anlagenkonzepte zurückgeholt werden können.

VDI nachrichten: Bevor der Hype um Industrie 4.0 begann, war Energieeffizienz das große Trendthema in der Branche. Gerät diese nun ins Hintertreffen?

Brandes: Auch wenn sich das Trendthema ändert, geraten die Themen aus der Vergangenheit keinesfalls in Vergessenheit. Im Gegenteil: Die Energieeffizienz bekommt durch die Digitalisierung ganz neue Ansatzpunkte. Es entstehen oft Verluste, wenn sich Anlagen in ihrer Spitzenauslastung befinden oder wenn Anlagenteile in Bewegung sind, die man eigentlich abschalten könnte. Beispielsweise laufen viele Anlagen in der Prozessindustrie permanent, weil das Runterfahren und Wiederanfahren verlustbehaftet ist. Diese Themen lassen sich mit einem Ansatz zum ganzheitlichen Energiemanagement viel besser lösen.

Jürgen Brandes

Ein weiterer Punkt ist das Peek-Shaving. Das bedeutet, dass die Industrie für jedes angeschlossene Gerät eine Leistungsgebühr bezahlen muss, die sich an der Spitzenleistung innerhalb eines Jahres orientiert. Solche Leistungsspitzen lassen sich durch optimiertes Fahren einer Anlage vermeiden. Unter Umständen nimmt man Energiespeicher mit hinein, um das in Zeiten auszugleichen, wenn wenig Energie benötigt wird.

Geringere Spitzenleistung bedeutet dann direkt mehr Geld in der Kasse des Endkunden. Energieflüsse und Energiemanagement in einem gesamtheitlichen Ansatz sind deshalb ein ganz wichtiges Thema.

Kann man sagen, dass die Vernetzung den ganzheitlichen Bewertungsansatz überhaupt erst ermöglicht?

Absolut. Mehr noch: Sie können verschiedene Anlagen sogar weltweit vernetzen, um eine gleichmäßige Auslastung zu erreichen. Dann lässt sich erkennen, welche Anlagen besonders effizient arbeiten und welche man nur in Spitzenzeiten dazu nimmt, weil sie ansonsten schnell altern. Solche Strategien waren bisher nicht realisierbar, weil Anlagen autonom arbeiteten.

Ist das analog zu den Telemetriedaten in der Formel 1, anhand derer man vergleichen kann, warum der eine Fahrer schneller durch die Kurve kommt als der Andere?

Ich würde sogar einen Schritt weiter gehen. Wenn ich in Ihrem Bild bleibe, dann würden wir die Fahrer gar nicht erst in eine solche Gefahrensituation bringen. Wir sind heute in der Lage, quasi „Formel-1-Rennen“ autonom zu gestalten. Sie wissen, dass Sicherheit auch in der Prozessindustrie besonders wichtig ist. Den Rennfahrer hat man eigentlich nur noch, damit der Nervenkitzel für die Zuschauer existiert. In der Prozessindustrie sind wir da schon weiter.

Wenn plötzlich mehrere Störungen und Alarme auftreten, wird es für Anlagenbediener aber schwer. Wie kann die Technik den Entscheidungsprozess unterstützen?

Hier geht der Weg weg von Anlagen die von Personen gefahren werden, hin zu semi-autonomen und autonomen Systemen. In manchen Bereichen haben wir schon eine Anlagenführung auf Basis von künstlicher Intelligenz, die keinen Menschen mehr erfordern.

Ein Beispiel aus einem meiner vorherigen Tätigkeitsbereiche sind die fahrerlosen U-Bahnen. Was da möglich ist, ist auch in der Prozessindustrie machbar. Da gibt es natürlich auch soziale Aspekte. Hier spielen Ängste eine Rolle – nach dem Motto: Was passiert, wenn wirklich etwas Unvorhergesehenes passiert?

Allerdings – mal ganz ehrlich – ist der Mensch überfordert, wenn er in kritischen Situationen zu viele Signale bekommt. Trotzdem müssen Menschen immer wieder trainiert werden, mit solchen Situationen umzugehen. Das heißt, dass wir in Kontrollräumen auch entsprechende Software einbauen, mit der wir Störungen an funktionierenden Anlagen simulieren, um das Personal aktiv zu halten.

Konkret: Wie kann die Technik den Bediener unterstützen?

Ein Beispiel dafür ist die Simulation von Anlagen über einen digitalen Zwilling. Mit unserer Software können damit Menschen bereits trainiert werden, bevor die Anlage tatsächlich real existiert. Wie in einem Flugsimulator geht es darum, das Personal zu schulen. Wir wollen, dass der Mensch mehr mit seiner Kreativität gefordert ist, Dinge zu verbessern, statt in einem repetitiven Umfeld zu agieren.

Auch bei der Maintenance – also der Instandhaltung – ist der Mensch weiterhin unersetzlich. Auch da geht es darum, ihm Assistenzsysteme an die Hand zu geben. Das reicht von der Identifikation der auszuführenden Tätigkeiten bis hin zur Bereitstellung aller notwendigen Unterlagen und Aufgabenlisten. In komplexen Systemen reicht das soweit, dass damit sichergestellt wird, dass alle dafür relevanten Anlagenteile abgeschaltet werden, um die Tätigkeiten sicher auszuführen.

Die Anlagensicherheit ist ein wichtiger Punkt. Wenn der Trend in der Verfahrenstechnik zu immer kleineren Anlagen geht, dann könnten diese doch theoretisch auch im urbanen Umfeld betrieben werden. Kann die Digitalisierung dazu beitragen?

Sie sprechen die Technikakzeptanz und die Ängste der Anwohner an. Ich behaupte, dass von autonomen bzw. teilautonomen Anlagen deutlich weniger Risiken ausgehen als von solchen, die von Hand gefahren werden. Der Faktor Mensch ist oft das größte Risiko in solchen Anlagen. Deswegen plädiere ich bei kritischen Anlagen dafür, diese automatisiert zu fahren. Das gilt übrigens nicht nur für Anlagen in dicht besiedeltem Umfeld, sondern auch für Anlagen die in einer schützenswerten Umwelt stehen.

Wir sind heute durch Digitalisierung in der Lage, die Sicherheit noch einmal um Größenordnungen zu verbessern. Damit ist es natürlich auch möglich, solche Anlagen im urbanen Umfeld zu betreiben. Allerdings ist es auch immer eine Frage der Psyche der Menschen, die da wohnen. Wie beim Zugverkehr merkt man immer wieder, dass sich Menschen wohler fühlen, wenn vorne noch jemand in der Lokomotive sitzt. Aus technischer Sicht ist das aber gar nicht nötig.

Früher hatten Menschen sogar Angst, das Fahren mit Dampflokomotiven könnte zu belastend sein. Mit positiven Erfahrungen wuchs das Vertrauen. Ist das heute auch so?

Ja. Wir würden uns in einem Flugzeug auch seltsam vorkommen, in dem es nur noch Stewardessen gibt, in denen aber keine Piloten mehr an Bord wären. Gleichzeitig wissen wir ja, dass der Pilot höchstens bei Start und Landung noch aktiv ist. Ansonsten sollte er während des Fluges besser nicht in das autonom arbeitende System eingreifen.

Kommen wir zu einem anderen Thema: Welche Rolle spielt die Plattformökonomie für die Prozesstechnik?

Die klassische Automatisierungspyramide, die von den Geräten im Feld über eine Zwischenebene – die Prozessleitebene – bis hinein in die Managementebene reicht, wird sich von ihrer klaren Hierarchie her auflösen. Viele möchten daraus eine Grundsatzphilosophie machen. Ich denke, dass das sukzessive passieren wird. Mit jeder preislichen Vergünstigung der Hardware und der Steigerung von Rechenleistung sowie neuen Softwarearchitekturen wird es dazu kommen, dass wir Intelligenz in den unterschiedlichen Ebenen bekommen. Das kann der smarte Sensor sein, das Edge-Device, also der maschinennahe Computer, und wir werden auf dem Kommunikationsweg der Daten verteilte Intelligenz haben bis hin zur Intelligenz in einem Rechnersystem, das wir heute als Cloud bezeichnen. Dabei wird die Software so geschrieben sein, dass sie selbst entscheidet, auf welche der verfügbaren Rechenleistungen sie am effizientesten zugreifen kann und wie sie am sichersten laufen wird. Selbst das wird das System in Zukunft selbst entscheiden.

Das klingt nach künstlicher Intelligenz.

Was die Intelligenz angeht, spielen neuronale Netze eine immer wichtigere Rolle. Wir werden damit mehr Computerleistung haben und Entscheidungen dezentral ausführen. Wir werden Augen und Ohren haben, also Sensoren bei denen die Vorverarbeitung der Signale bereits direkt in der Komponente erfolgt und nur noch die für andere Prozesse notwendigen Signale weitergeleitet werden. Je nachdem, ob die Anlage Störungen hat oder störungsfrei läuft, wird die künstliche Intelligenz unterschiedliche Signale in unterschiedlichen Bandbreiten senden. Läuft alles normal, gibt es in größeren Abständen kurze Statusinformationen. Sollte eine Störung auftreten, werden dann mehr Daten kommuniziert. Dafür muss natürlich die Computerleistung ausgelegt sein. Die Hierarchien, die uns Menschen helfen, da den Überblick zu bewahren, werden durch selbstlernende Systeme zunehmend abgelöst werden.

Um das alles zu organisieren, muss sicher auch die Computerleistung mit den Aufgaben mitwachsen. Was ist dazu nötig?

Richtig. Deshalb sprechen wir von Integrated Engineering to Integreted Operations. Um solche Anlagen künftig planen und betreiben zu können, wird es kaum noch möglich sein, die Planungs- und Betriebsphasen auseinanderzuhalten. Sie können also schon am Anfang in der virtuellen Welt das Verfahren simulieren, daraus die richtigen Konfigurationen planen und Software schreiben.

Wo die Software dann läuft, lässt man offen. Das kann später das System entscheiden. Da wird auch geschaut, wo die Entscheidung des Menschen gebraucht wird und wo das System besser selbst entscheidet. Das Zusammenführen des digitalen Zwillings mit der realen Anlage wird dadurch immer komplexer. Gleichzeitig werden die bisherigen Schnittstellen damit zunehmend aufgelöst.

Welche Vorteile bringt der digitale Zwilling, außer dass damit Anpassungen von Prozessen vorab im geschützten Bereich ausprobiert werden können?

Wir können Prozesse kopieren und übertragen. Das machen wir z. B. in unserer Anwendung mit dem Farbenhersteller Dulux. Da wird es viel einfacher, komplexe Prozesse auch in kleinen Anlagen mit hoher Qualität zu betreiben und bei Bedarf hochzuskalieren. Und es geht um Flexibilisierung. So lassen sich auch Spezialkunststoffe auf viel kleineren Anlagen herstellen, wodurch schneller auf Kundenanforderungen reagiert werden kann. Damit lassen sich übrigens auch neue Märkte viel schneller erobern.

Normalerweise werden Fabriken in Deutschland nicht mehr auf der grünen Wiese geplant. Lohnt es sich deshalb, die bestehenden Anlagen aufzurüsten oder ist es besser, die Technik komplett zu erneuern?

Bei großtechnischen Anlagen, mit denen der Wettbewerbsvorteil über die Produktionsmenge erzielt wird, ist Nachrüsten sicher sinnvoll. Hier gilt es, die Optimierung im Detail voranzutreiben. Da lassen sich durch neue Technologien Wettbewerbsvorteile erzielen. Hierfür haben wir Brownfield-Konzepte, mit denen wir auch einzelne Anlagenteile digitalisieren können, um dann vom Integrated Engineering zu Integrated Operations zu gelangen.

In Summe erwarte ich allerdings, dass es eine Renaissance geben wird, bei der Produktionen, die nach Asien verlagert wurden, wieder zurückgeholt werden. Das hängt damit zusammen, dass es sich dann wieder lohnt, Kleinanlagen nahe am jeweiligen Markt zu positionieren.

Das ist meiner Ansicht nach bereits in der Agrochemie der Fall, wo Dünger und Pflanzenschutz an die jeweiligen regionalen Bedürfnisse angepasst werden müssen. Wir werden dafür kurzlebige Chemikalien brauchen, die nur in einem kleinen Zeitraum aktiv sind und danach wieder zerfallen, damit sie die Natur nicht unnötig belasten. Das geht nur mit dezentral verteilten kleinen Anlagen und kurzen Wegen zu den Anwendern.

Mit Großanlagen in China und Containertransporten kann das nicht mehr funktionieren. Das kann sogar soweit gehen, dass der Landwirt darin unterstützt wird, seine eigene Chemie herzustellen.