Wie Integration in der Fluidtechnik die Effizienz steigert

Planung, Bau und Betrieb von Maschinen und Anlagen werden heute immer komplexer. Vernetzung, verstärkte Automatisierung, KI, Fachkräftemangel, sich ständig ändernde gesetzliche Vorgaben oder die Forderung zum Einhalten von Nachhaltigkeitszielen sind einige der Ursachen. Dabei nimmt die Zahl der beteiligten Komponenten, Systeme und Softwarelösungen je Maschine oder Anlage stetig zu. Die Kunst besteht nicht mehr allein darin, leistungsfähige Komponenten einzusetzen, sondern den optimalen Betrieb über den gesamten Lebenszyklus hinweg möglichst nahtlos sicherzustellen.

Integration erleichtert Informationsbeschaffung – Digitaler Zwilling

Das beginnt schon in der frühen Engineering-Phase. Hier müssen geeignete Komponenten verschiedenster Hersteller für die jeweilige Aufgabe ausgewählt und eingeplant werden. Durch die richtige Integration, in diesem Fall in Geschäftsprozesse der Anwender, entsteht ein entscheidender Unterschied für effizientes Arbeiten. Anstatt Informationen zu geeigneten Komponenten verschiedener Anbieter mühevoll zu suchen in unterschiedlichsten Portalen, auf den Herstellerwebseiten und Plattformen, sollten diese bereits im Engineering-System des Planers zur Verfügung stehen und einfach ausgewählt werden können.

Digitale Zwillinge (Bild 1) erweisen sich hierbei bereits in einer sehr frühen Projektphase als ausgesprochen hilfreich, indem sie zu den physischen Komponenten alle Informationen und Modelle bereitstellen. Mit diesen virtuellen Modellen lassen sich Maschinen und Anlagen nicht nur einfacher planen und simulieren, sondern auch fundierte Entscheidungen für den gesamten Lebenszyklus einer Anlage treffen. Die Fluidikexperten von Bürkert sehen es als ihre Aufgabe, fluidische Probleme ihrer Kunden zu lösen, sei es auf Komponenten- oder der Prozess-Ebene. Im beschriebenen Fall unterstützen sie ihre Kunden mit ersten Ansätzen zur Bereitstellung von Produktinformationen als Digitale Zwillinge. Durch die Datentransparenz lassen sich bereits im virtuellen Raum Anlagen optimieren. Dr. Anne März (Bild 2), Director Global Digital Toolchain bei Bürkert Fluid Control Systems, erklärt: „Dank einer Kooperation mit conplement können wir derzeit für über 50.000 unserer Produkte im Bürkert eShop Verwaltungsschalen (Asset Administration Shell = AAS) ad-hoc generieren und zur Verfügung stellen, was ein erster Schritt in Richtung Digitaler Zwilling ist. Die Verwaltungsschalen enthalten zunächst eine Vielzahl statischer Daten. Uns ist dabei wichtig, dass Anwendern alle für Entwicklungsentscheidungen relevanten Informationen so einfach wie möglich zur Verfügung stehen. Mit dem Thema der Digitalen Zwillinge und der ersten Ausbaustufe der AAS stehen wir erst am Anfang. Künftig sollen deren Daten über den gesamten Lebenszyklus immer wieder mit aktuellen Informationen angereichert werden. Erst damit entfalten sie ihr volles Potenzial.” Das international standardisierte Rahmenwerk der AAS schafft die technologische Grundlage, um relevante Daten zu physischen Objekten strukturiert zu erfassen und digital zugänglich zu machen.

Integrierte Kalibrierung – für Effizienz und Qualität

Integration – wie im beschriebenen Fall über die entsprechenden technischen Schnittstellen – hilft aber nicht nur dabei, Anlagen einfacher zu planen. Auch bei der Inbetriebnahme können sie das Leben erleichtern, ebenso wie im Anlagenbetrieb: Durch die kontinuierliche Synchronisierung von realen und digitalen Daten können Ausfallzeiten reduziert, Wartungsmaßnahmen vorausschauend geplant, Prozesse optimiert und Ressourcen effizienter eingesetzt werden. März erläutert: „KI ist derzeit in aller Munde und soll zum Enabler für alle möglichen Szenarien werden. Dabei dürfen wir nicht vergessen, dass KI-Lösungen, die mit schlechtem Dateninput arbeiten, zwangsläufig zu schlechten Ergebnissen führen. Vielerorts werden Anlagen so selten wie möglich kalibriert, das führt zu ungenauen Prozessdaten und kann zum Beispiel bei Prozessoptimierungen per KI zum Problem werden. Mit dem Digitalen Zwilling ist aber mittelfristig eine virtuelle Kalibrierung ohne Eingriff in den produktiven Betrieb und damit eine deutliche höhere Kalibrierfrequenz denkbar.“ Noch gibt es verschiedene technische wie regulatorische Hürden, die genommen werden müssen, um virtuelle Kalibrierung zu ermöglichen. Die daraus resultierende Effizienz- und Qualitätssteigerungen gerade in Kombination mit KI-Lösungen könnten aber für Hochlohnländer ein wesentlicher Wettbewerbsvorteil werden. Mit dem Digitalen Zwilling bieten die Fluidikexperten bereits die wesentlichen Grundlagen für eine im Prozess vollintegrierte, automatisierte virtuelle Kalibrierung.

Integration ins größere Ganze – technische Schnittstellen

Fluidikkomponenten sind naturgemäß immer Teil eines größeren Ganzen, in das sie sich einfügen müssen. Hier spielen technische Schnittstellen eine entscheidende Rolle. Daher unterstützen Bürkert-Komponenten alle am Markt üblichen Kommunikationsschnittstellen, gehen aber in vielen Bereichen noch einen Schritt weiter. Ventilinseln beispielsweise lassen sich dank einer entsprechenden Partnerschaft direkt in die Siemens-I/O-Systeme SIMATIC ET 200SP, ET 200SP HA sowie in PCS 7 integrieren. Dadurch wird die Pneumatik quasi Teil der Siemens-Automatisierungswelt und muss nicht als Sub-System betrieben werden. Das ermöglicht direkte Anbindungen, spart Verdrahtungsaufwand, macht Schnittstellen unnötig, stellt Daten durchgängig zur Verfügung und erlaubt einheitliche Wartung und Diagnose.

Gerade bei kritischen Prozessen wird der Nutzen integrierter Automatisierungs- und Datenkonzepte deutlich. Ein Beispiel hierfür sind pharmazeutische WFI-Loops (Water for Injection). In diesen hochkritischen Kreisläufen können getrennte Komponenten und fehlende Schnittstellen die Abstimmung von Messung, Zirkulation und Entnahme erschweren, den Planungsaufwand erhöhen, Transparenz reduzieren und zu Kompromissen bei Flexibilität, Platzbedarf sowie der hygienischen Auslegung führen. Erst eine durchgängige Integration in die Automatisierungsarchitektur macht eine lückenlose Qualitätssicherung und regelkonforme Dokumentation möglich. Bürkert hat für WFI-Loops eine Lösung entwickelt (Bild 3), die hygienische und reproduzierbare PW/WFI-Entnahme am Point of Use zu jeder Zeit ermöglicht. Die Lösung verbindet Durchflussmessung, Ventilsteuerung und kontinuierliche Zirkulation in einem abgestimmten System. Dabei misst FLOWave berührungslos Volumenstrom, Volumenmenge und Temperatur während Robolux die Zirkulation und Entnahme steuert und dabei hilft, die Entstehung von Biofilmen zu vermeiden. Somit integrieren FLOWave und Robolux Messen, Steuern und Regeln in einer kompakten Point-of-Use-Lösung.

Integration ins bestehende Anlagenumfeld – Retrofits und Erweiterungen

Erweiterungen oder Retrofits von Brownfieldanlagen stellen Fluidiklösungen in Bezug auf ihre Integrationsfähigkeit vor weitere Herausforderungen, denn sie müssen sich möglichst nahtlos in bestehende Anlagen einpassen. In Bezug auf die Fluidik bedeuten gewachsene Anlagen eine Vielzahl von Ventilen unterschiedlicher Hersteller, die in verschiedenen Bauformen und Automatisierungszuständen nebeneinander eingesetzt werden. Jede Variante benötigt eigene Adapter, Bedienlogik, Ersatzteile und Schulung. Bei Veränderungen muss das Engineering für jede Kombination prüfen, was zusammenpasst. Oft bleibt der Zustand einzelner Ventile unsichtbar und Störungen zeigen sich erst, wenn die Produktion steht. Für solche Anwendungsfälle geeignete Lösungen zu entwickeln, ist ausgesprochen komplex und erfordert einerseits ein breites Produktportfolio und andererseits eine hohe Schnittstellenvielfalt zur Integration verschiedenster Komponenten.

Hierfür bietet Bürkert z.B. die Steuerkopf-Systeme Typ 8682 und 8683 für Klappen-, Einsitz- und Doppelsitzventile, die sich auch herstellerübergreifend einsetzen lassen und viele verschiedene Varianten auf zwei Typen reduzieren (Bild 4). Das vereinfacht Engineering, Installation, Schulung, Lager und Wartung. Zudem verkürzt automatisches Teach-in die Inbetriebnahme auf Minuten. Auch der digitale elektropneumatische Stellungsregler SideCONTROL eignet sich sehr gut beim Retrofit von Anlagen. Sollen bestehende Regelventile nachträglich digitalisiert werden, um mehr Transparenz und Diagnosefähigkeit zu schaffen, lässt sich der Stellungsregler auch mit zahlreichen am Markt erhältlichen Ventilen kombinieren. So können aus analogen Ventilen nachträglich intelligente Teilnehmer werden, die sich ins Gesamtsystem integrieren lassen.

Integration vermeidet Datensilos – Beispiel Bioreaktor

Ähnlich verhält es sich mit Bioreaktoren (Bild 5). Sie bestehen häufig aus vielen isolierten Komponenten und Datensilos. Fehlende Transparenz erschwert die Prozessoptimierung, Skalierung, Wartungsplanung sowie die effiziente Nutzung von Prozessdaten. Auch hier ermöglicht eine durchgängige Integration von den Feldgeräten und fluidischen Subsystemen bis zur Datenebene maximale Transparenz, reproduzierbare Prozesse und datengetriebene Optimierung biotechnologischer Anwendungen. Eine integrierte Systemarchitektur kann Fluidik, Pneumatik, Sensorik, Kommunikation und Edge Computing miteinander verbinden. Dadurch stehen Prozessdaten in Echtzeit zur Verfügung und bilden die Grundlage für Prozessoptimierung, Predictive Maintenance und höhere Anlagenverfügbarkeit.

Integrierte Logistikprozesse – das Gegenüber verstehen

Integration kann aber auch anders aussehen. Mit dem Boom von KI entstehen immer mehr Rechenzentren. Diese müssen gekühlt werden und es wird deutlich, dass konventionelle Kühlung hier an ihre Grenzen stößt. Eine effiziente Alternative bietet Flüssigkeitskühlung. Hier hat Bürkert in einem internationalen Projekt eine hochkomplexe Teilkomponente für die Flüssigkeitskühlung entwickelt, die in großen Stückzahlen geliefert werden. März berichtet: „Die Herausforderung in Bezug auf Integration bestand hier auch hinsichtlich der Sustainability-Anforderungen und der Logistik-Prozesse. Wir müssen uns hier nahtlos und zuverlässig in eine internationale Supply-Chain integrieren.“

Integration während des gesamten Lifecycles – Services für Flexibilität

Integration ist eine vielfältige Aufgabe, die Komponenten und Prozesse ebenso beeinflusst wie menschliche Interaktion während des gesamten Product-Lifecycles. Mehr denn je müssen Anlagen heute flexibel sein und sich an verändernde Umgebungsbedingungen anpassen lassen. Dazu bietet Bürkert zahlreiche Services, die Maschinen- und Anlagebauer bzw. -betreiber dabei unterstützen: von der Konstruktion über Inbetriebnahme, Schulung, Anlagenwartung, Anlagenmodernisierung, technischen Support, Kalibrierung, Leckageortung und -beseitigung bis hin zur Feldbusintegration. Integration bedeutet ein nahtloses Einfügen auf den unterschiedlichsten Ebenen, um technisch, prozessual und menschlich effiziente und zuverlässige Lösungen zu entwickeln.

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