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111.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Michael Maiwald
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)Division 1.4 Process Analytical Technology
Richard-Willstätter-Str. 11D-12489 Berlin, Germany
11.04.2018
CYBER-PHYSICAL TESTLABSANFORDERUNGEN AN MODULARE LABOREIM ZEITALTER DER DIGITALISIERUNG
Spectaris Expertenpanel: „IoT im Labor 4.0 –
Laborgeräte auf dem Weg zu Smart Devices“
211.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Cyber-Physical TestlabsAnforderungen an modulare Labore im Zeitalter
der Digitalisierung
Bundesanstalt für Materialforschungund -prüfung (BAM)
F&E für „Sicherheit in Technik und Chemie“
Wettbewerbsfähigkeit der Prozessindustrie basiert auf der Sicherung der geforderten Produktqualität
Prozessanalytik erlaubt optimale Nutzung von Anlagen, Rohstoffen und Energie
Fachbereich Prozessanalytik
Gasanalytik
Prozess-Spektroskopie
Anorganische Prozessanalytik; XRF
Sichere, verfügbare und effiziente Herstellung international wettbewerbsfähiger Produkte für die Anwender
Weltweiter Export von Mess- und Regeltechnik für die Messtechnikbranche
311.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Integrated Process Design and Intensified ProcessesCurrent Trend: Hybrid Modular Plants
Modular Production(Example: Foster Wheeler AG, Zug/CH)
Micro Reaction Technology(Example: Fraunhofer ICT, Pfinztal/D)
Laboratory Miniplant
ProcessProcess
Simulation
Trends. Anal. Chem. 83 (2015) 39‒52
Source: INVITE GmbH
411.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Contemporary Process EngineeringTowards Cyber-Physical Production Systems (CPPS)
“Cyber-Physical Systems (CPS) are integrations of computation with physical processes. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa”. E. A. Lee, Cyber Physical Systems: Design Challenges,
EECS Department, University of California, Berkeley, 2008
ProcessProcess
Field Instrument
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Current and Future Requirements toSmart Field InstrumentsAs Parts of Cyber-Physical Production Systems
e.g., license server
Connectivity and Communication
Ability
VirtualDescriptionInteraction
Ability
Maintenance andInternal Functions
Traceability andCompliance
(Conventional4‒20 mA)
OPC-UA
Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 4.0“
611.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
From Lousy Interfaces to “Industrie 4.0“Use of Runtime Environments
Trends. Anal. Chem. 83 (2015) 39‒52
711.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
From Lousy Interfaces to “Industrie 4.0“Use of Runtime Environments
Trends. Anal. Chem. 83 (2015) 39‒52
811.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
From Lousy Interfaces to “Industrie 4.0“Use of Runtime Environments
e.g., license server
Trends. Anal. Chem. 83 (2015) 39‒52
911.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Process Monitoring in Lab-scaleat BAM
500 MHz NMR Spectrometer500 MHz NMR Spectrometer
Process NMRProcess NMR
Syringe pumpsSyringe pumps
GlassreactorsGlassreactors
Thermostated transfer tubesThermostated transfer tubes
Process NIRProcess NIRProcessUV/VISProcessUV/VIS
Process RAMANProcess RAMAN Process NMRProcess NMR
1011.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Analytical device
Sensor
Das Modulare Labornetzwerk – einstBeispiel BAM: Multispektrale Reaktionskontrolle
Process UV/VISProcess RamanProcess NMR
Process Raman
Process NMR
1111.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Analytical device
Sensor
Das Modulare Labornetzwerk – einstBeispiel BAM: Multispektrale Reaktionskontrolle
Process UV/VISProcess RamanProcess NMR
Process Raman
Process NMR
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Das Modulare Labornetzwerk – und jetzt
Process NIR
Process UV/VIS
Process Raman
Process NMR
OPC-UA ServerOPC-UA Clients
e.g., license server
• Datenbank für Rohdaten• Auswertesoftware• Lizenzserver für Auswertesoftware• Rezeptur-/Prozessleitsystem
• Pumpen• Kryostaten• Ventile• Druck-/Temperatur-
aufnehmer• Etc.
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Das Modulare Labornetzwerk - jetzt
WAGOCodesys 3WebVisu
OPC UA Clients
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Das Modulare Labornetzwerk - jetzt
WAGOCodesys 3WebVisu
OPC UA Clients
1511.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Automated NMR-Analyzer ModuleCommunication and Data Analysis Concept
e.g., license server
Failsafe Functions
• Leakage control
• Temperature
• Sample Pressure
Onboard Windows PC
- Automated Matlab analysis
- SpectrometerSoftware
Programmable Logic Controller
Data acquisition ofsensors
Triggering of NMR Spectrometer
TCP/My SQL Connection
NAMUR Status Signals
4–20 mA Analog Outputs
Access Point
Fast FieldBus
WAGOCodesys 3WebVisu
OPC UA Clients
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Automated NMR-Analyzer ModuleVisualization and Control Web Interface (Expert Mode)
WAGOCodesys 3WebVisu
1711.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Zusammenfassung
Industrie 4.0 bzw. das Labor 4.0 hilft uns, komplexere Prozesse schneller umzusetzen
Entwicklung von Anlagen und Prozessen beginnt im Labor 4.0
Offene Schnittstellen und Standards bei Laborgeräten und Feldgeräten werden dringend benötigt
OPC-UA
Festlegung der Semantik (Companion Specification)
Bitte möglichst keine Alleingänge hinsichtlich Schnittstellen, Standards, GUI
Erleichterung des „durchgehenden Engineerings“
Sichere, verfügbare und effiziente Herstellung international wettbewerbsfähiger Produkte für die Anwender
Weltweiter Export von Mess- und Regeltechnik für die Messtechnikbranche
1811.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Thank You!
1911.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
Process AutomationThe Classical Automation Pyramid
Soft Sensing?
ERP = Enterprise RessourcePlanning
MES = Manufacturing ExecutionSystem
PLS = Process Control SystemAPC = Advanced Process ControlSCADA = Supervisory Control and
Data AcquisitionPLC = Programmable Logic
Controller
Model-basedControl?
Self-Calibration?
Modular Set-up?
is Outdated!
Source: INVITE GmbH