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Michael Maiwald Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Division 1.4 Process Analytical Technology Richard-Willstätter-Str. 11 D-12489 Berlin, Germany 11.04.2018 CYBER-PHYSICAL TESTLABS ANFORDERUNGEN AN MODULARE LABORE IM ZEITALTER DER DIGITALISIERUNG Spectaris Expertenpanel: „IoT im Labor 4.0 – Laborgeräte auf dem Weg zu Smart Devices“ 2 11.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“ Cyber-Physical Testlabs Anforderungen an modulare Labore im Zeitalter der Digitalisierung Bundesanstalt für Materialforschung und -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

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Page 1: CYBER-PHYSICAL TESTLABS ANFORDERUNGEN AN MODULARE … · Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 4.0“ ... Automated NMR-Analyzer Module ... Sichere, verfügbare und effiziente Herstellung

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

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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

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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

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From Lousy Interfaces to “Industrie 4.0“Use of Runtime Environments

Trends. Anal. Chem. 83 (2015) 39‒52

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From Lousy Interfaces to “Industrie 4.0“Use of Runtime Environments

e.g., license server

Trends. Anal. Chem. 83 (2015) 39‒52

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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

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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

1411.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“

Das Modulare Labornetzwerk - jetzt

WAGOCodesys 3WebVisu

OPC UA Clients

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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

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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!

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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