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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CYBER-PHYSICAL TESTLABS ANFORDERUNGEN AN MODULARE … · Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 4.0“ ... Automated NMR-Analyzer Module ... Sichere, verfügbare und effiziente Herstellung
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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
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
511.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
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
1211.04.2018 M. Maiwald | BAM | „Cyber-Physical Test-Labs“ | Lab-Vision @ Analytica 2018 | „IoT im Labor 4.0“
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
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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
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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