Die Digitalisierung von Produktionsprozessen, insbesondere in der chemischen Fertigung, hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Sie betrifft alle Aspekte der Fertigung, von der Qualitätssicherung bis hin zur Wartungsstrategie, und schafft eine Grundlage für vorausschauende Wartung und Prozessoptimierung. Um diese Ziele zu erreichen, ist es entscheidend, alle relevanten Daten in einem strukturierten digitalen Format zu speichern und in digitale Systeme zu integrieren, die eine effiziente Nutzung und Analyse ermöglichen.

Ein wichtiger Bestandteil der Digitalisierung ist die Integration von Produktionsdaten, die oft aus verschiedenen Quellen stammen. Dazu gehören etwa Daten aus Wartungsmanagementsystemen (wie einem CMMS), die eine strukturierte Vorgehensweise bei der Wartungsplanung sicherstellen. Diese Systeme ermöglichen es, Wartungspläne zu erstellen, historische Reparaturdaten einzusehen und die Wartungskosten zu verfolgen. Die effiziente Verwaltung von Anlagenressourcen ist entscheidend, um eine höhere Betriebsstabilität und reduzierte Ausfallzeiten zu gewährleisten.

Das Hauptziel der Digitalisierung ist es, wertvolle Daten zu identifizieren und sie so zu speichern, dass sie später analysiert und zur Optimierung von Prozessen verwendet werden können. Besonders im Kontext der chemischen Fertigung ist die präzise Erfassung von Prozessparametern wie Temperatur, Druck und Fließgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Diese Messwerte müssen nicht nur in digitalen Formaten vorliegen, sondern auch in einer Weise, die eine historische Analyse und eine kontinuierliche Verbesserung der Prozesse ermöglicht.

Um die digitale Transformation erfolgreich umzusetzen, ist es erforderlich, eine klare Roadmap zu entwickeln, die sowohl die Ziele als auch die Implementierungsschritte beschreibt. Dies gilt insbesondere für Unternehmen, die bestehende Anlagen auf den neuesten Stand der Technik bringen (Retrofit), sowie für Neubauten (Greenfield-Projekte). In Retrofit-Projekten müssen häufig ältere Anlagen mit modernen digitalen Technologien ausgestattet werden, was eine erhebliche Herausforderung darstellt. Die Hauptproblematik liegt darin, dass ältere Anlagen oft nicht mit einer "Digital-First"-Philosophie geplant wurden, was die Digitalisierung und Integration der physischen Messgrößen zu einer anspruchsvollen Aufgabe macht.

Für eine erfolgreiche Digitalisierung in der Prozessfertigung müssen bestimmte Schlüsselinformationen erfasst und in maschinenlesbare Formate überführt werden. Zu den wichtigsten Dokumenten gehören unter anderem Prozessflussdiagramme (PFD), Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramme (P&ID) sowie elektrische Schaltpläne. Diese Dokumente müssen so strukturiert sein, dass sie nahtlos in andere digitale Systeme integriert werden können. Ebenso muss das Bill of Materials (BOM), also eine detaillierte Bestandsaufnahme der Anlagenkomponenten, mit den PFDs und P&IDs verknüpft werden, um eine effiziente Wartung und den Austausch von Bauteilen zu gewährleisten.

Darüber hinaus müssen Betriebs- und Wartungshandbücher sowie Sicherheits- und Betriebsphilosophien in digitale Formate übertragen werden. Diese Daten sind nicht nur für die tägliche Wartung und den Betrieb der Anlage von Bedeutung, sondern auch für die Automatisierung und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Insbesondere für die Validierung der Automatisierungslogik und die Einhaltung regulatorischer Anforderungen sind diese Informationen von zentraler Bedeutung.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Digitalisierung ist die Nutzung von SCADA-Systemen, die Echtzeitdaten über die verschiedenen Prozessvariablen liefern. Diese Daten werden in sogenannten Historian-Datenbanken gespeichert, die kontinuierlich die Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Fließraten und Energieverbrauch erfassen. Diese Daten sind für die vorausschauende Wartung und die Früherkennung von Anomalien unverzichtbar, da sie eine Grundlage für prädiktive Analysen und die Optimierung von Produktionsprozessen bieten.

Neben den betrieblichen und technischen Daten sind auch Daten aus Laborinformationsmanagementsystemen (LIMS) von Bedeutung. Diese Systeme erfassen chemische Analysen und Qualitätskontrollen, die für die Einhaltung von Vorschriften und die Gewährleistung der Produktqualität notwendig sind. Durch die Digitalisierung dieser Daten wird eine nahtlose Integration mit den Produktionsdaten ermöglicht, was wiederum die Effizienz und Transparenz der Fertigungsprozesse verbessert.

Wichtig bei der Digitalisierung von Produktionsdaten ist, dass digitale I/O-Tags, die binäre Zustände wie „An“ oder „Aus“ darstellen, sowie analoge Eingabe- und Ausgabetags korrekt erfasst und gespeichert werden. Diese Daten werden intern als digitale Werte gespeichert und dienen als Grundlage für die Steuerung und Überwachung der Produktionsprozesse. Ein genaues Verständnis der Struktur dieser Daten und ihrer Speicherung ermöglicht eine präzise Steuerung und eine detaillierte Analyse der Anlagendaten.

Neben der Sammlung und Speicherung von Daten ist die Analyse dieser Daten für die kontinuierliche Verbesserung von Prozessen von entscheidender Bedeutung. Die Integration von Künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) in digitale Systeme ermöglicht es, aus den erfassten Daten Muster zu erkennen und Prognosen für zukünftige Wartungsbedarfe zu treffen. Diese Technologien können nicht nur die Wartungskosten senken, sondern auch die Effizienz und Verfügbarkeit der Anlagen steigern.

Wie kann die Integration von OT und IT in der digitalen Transformation erfolgreich gestaltet werden?

Die erfolgreiche Umsetzung einer digitalen Transformation in industriellen Produktionsumgebungen erfordert eine präzise Abstimmung zwischen den verschiedenen Abteilungen und Technologien. Eine der zentralen Herausforderungen dabei ist die Integration von Operational Technology (OT) und Information Technology (IT), die oftmals als zwei separate Welten betrachtet werden. Doch die digitale Zukunft hängt von ihrer erfolgreichen Vereinigung ab. In diesem Zusammenhang wird deutlich, dass nicht nur die Einführung neuer digitaler Technologien entscheidend ist, sondern auch die Art und Weise, wie die betroffenen Mitarbeiter in den Transformationsprozess eingebunden werden.

Die Umsetzung von digitalen Technologien auf der Produktionsfläche, insbesondere in der Fertigungsindustrie, muss darauf abzielen, die Akzeptanz der Mitarbeiter zu fördern. Die operativen Teams, die die Technologien letztlich nutzen, dürfen sich nicht durch die Einführung dieser Veränderungen bedroht fühlen. Vielmehr ist es von entscheidender Bedeutung, dass ihre aktive Teilnahme gesichert wird. Hierfür sind eine frühzeitige Kommunikation und die Einbindung der Mitarbeiter in den Veränderungsprozess notwendig. Die Einbeziehung von User Experience (UX), die vorausschauende Identifikation von Änderungen in den Arbeitsabläufen und die frühzeitige Schulung sind Schlüsselelemente, um die Nutzung neuer digitaler Werkzeuge effektiv zu gestalten. Die Mitarbeiter, die auf der „letzten Verteidigungslinie“ der Produktionsprozesse arbeiten, benötigen Entscheidungsunterstützungssysteme, um ihre Effektivität zu steigern. Ihre Beteiligung an der digitalen Transformation ist daher unverzichtbar.

Ebenso entscheidend ist die enge Zusammenarbeit zwischen der IT- und der OT-Abteilung innerhalb eines Unternehmens. Die frühzeitige und kontinuierliche Kommunikation stellt sicher, dass Datenzugriffe, Datenflüsse und die Integration von Datenspeichern reibungslos erfolgen. Eine weit verbreitete Fehleinschätzung ist, dass die Barrieren zwischen OT und IT unüberwindbar sind, was zu einer massiven Herausforderung bei der Integration von Fabrik- und Geschäftsdaten führt. Erfahrungen aus der chemischen Industrie haben jedoch gezeigt, dass das Überwinden dieser Barrieren eine notwendige Voraussetzung für den Erfolg von Digitalisierungsinitiativen darstellt.

Wichtig ist in diesem Kontext auch, dass die Mitglieder eines Digitalisierungs-Teams – ob aus dem Unternehmen selbst oder extern hinzugezogen – klar definierte Rollen und Verantwortlichkeiten haben. Ein typisches Team für eine digitale Transformation in einer Öl- und Gasproduktion umfasst unter anderem den Chief Digital Officer (CDO), der die digitale Strategie festlegt und deren Ausrichtung auf die Geschäftsziele sicherstellt, sowie den Prozessingenieur, der die Integration der Automatisierungssysteme verantwortet. Diese Teams sind entscheidend, um die geplante Transformation in allen Phasen des Prozesses zu steuern und umzusetzen. Eine Übersicht der typischen Positionen und deren Aufgaben lässt sich leicht in einer Tabelle darstellen, aber viel wichtiger ist, dass jedes Teammitglied seinen Beitrag zur Überwindung von Herausforderungen im Bereich der OT/IT-Integration leistet.

Die Technologieinfrastruktur, insbesondere die Verbindung der Automatisierungsschicht (OT) mit der Geschäftsnetzwerkschicht (IT), ist ein wesentlicher Aspekt der digitalen Transformation. Hierbei müssen bestehende industrielle Systeme, wie zum Beispiel Distributed Control Systems (DCS), mit modernen IT-Kommunikationsprotokollen harmonisiert werden. Dies ist eine komplexe Aufgabe, da diese Systeme häufig als „veraltete“ Technologien angesehen werden, die ersetzt werden müssen. Diese Annahme ist jedoch nicht korrekt. Vielmehr kommt es darauf an, eine Synergie zwischen den verschiedenen Software-Protokollen zu erreichen und so einen nahtlosen und sicheren Informationsfluss zwischen Produktionsprozessen und Unternehmensnetzwerken zu ermöglichen.

Ein weiteres bedeutendes Hindernis ist die Frage der IT-Sicherheit und der Datenschutz, wenn OT- und IT-Schichten miteinander verbunden werden. Die Gefahr von Netzwerkintrusionen, Hacking, Datenpannen und anderen Sicherheitsbedrohungen ist eine ständige Herausforderung, wenn Produktionsdaten in das Unternehmensnetzwerk integriert werden. In diesem Zusammenhang wird der Einsatz von Sicherheitsprotokollen und Firewalls oft als eine Lösung betrachtet, doch auch hier ist eine enge Zusammenarbeit von IT- und OT-Abteilungen erforderlich, um die Risiken zu minimieren.

Der erfolgreiche Übergang zu einer digitalen Produktion setzt voraus, dass die technologischen und menschlichen Aspekte miteinander kombiniert werden. Nur so können Unternehmen nicht nur ihre Prozesse effizienter gestalten, sondern auch den Wandel so gestalten, dass er von den Mitarbeitern akzeptiert wird. Der Fokus auf eine frühzeitige Schulung, die klare Kommunikation zwischen den Abteilungen und die Integration der verschiedenen Technologieebenen ist entscheidend für den Erfolg. Wenn Unternehmen diesen Herausforderungen mit einem klaren Plan und einer umfassenden Strategie begegnen, werden sie in der Lage sein, die digitale Transformation erfolgreich umzusetzen und von den vielfältigen Vorteilen dieser Technologien zu profitieren.

Wie digitale Zwillinge den Betriebsverlauf von Prozesskomponenten optimieren und welche Bedeutung dabei die Material- und Energiebilanzen spielen

Digitale Zwillinge von Prozesskomponenten gewinnen zunehmend an Bedeutung in der modernen chemischen Industrie. Sie ermöglichen eine präzise Simulation und Vorhersage des Betriebsverhaltens von Anlagenteilen und tragen zur Optimierung der Effizienz und Minimierung von Ausfallzeiten bei. Eine fundamentale Grundlage für die Entwicklung dieser digitalen Zwillinge ist das Verständnis der thermodynamischen Eigenschaften, der Transportmodelle sowie der chemischen Reaktionskinetik, die in die Modellierung der einzelnen Prozesskomponenten einfließen.

Das Konzept des digitalen Zwillings basiert auf der Integration von Konstruktionsspezifikationen, ersten Prinzipien-Modellen und Echtzeit-Daten aus der Anlage. Diese Synergie ermöglicht eine detaillierte Analyse der Leistungsfähigkeit, eine Identifizierung von Ineffizienzen sowie die Diagnose von Abweichungen vom erwarteten Betriebsverhalten. Ein klassisches Beispiel für die Anwendung eines digitalen Zwillings ist der Shell-and-Tube-Wärmetauscher. Hierbei wird ein detailliertes Modell des Wärmetauschers erstellt, das Entropiebilanzen, leitende und konvektive Wärmeübertragungsgleichungen sowie Transportkorrelationen berücksichtigt. Durch die Kombination von Designparametern wie dem Durchmesser des Rohres, der Anordnung der Rohre und den Durchflussraten mit tatsächlichen Anlagendaten, wie Einlass-/Auslass-Temperaturen und Druckmesswerten, kann der digitale Zwilling Fouling, Skalierung und eine verminderte Wärmeübertragungseffizienz erkennen. Darüber hinaus ermöglicht das Modell eine vorausschauende Wartung, indem es den Zeitpunkt für notwendige Reinigungen oder Nachrüstungen schätzt.

Ein weiteres Beispiel ist der digitale Zwilling eines Kompressions- und Zündmotors, der mit einer Turbolader-Baugruppe ausgestattet ist. Hierbei fließt die Reaktionskinetik der Methanverbrennung in das Modell ein, um die Bildung von CO₂, H₂O, NOₓ und unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei unterschiedlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen zu simulieren. Indem die Zylinderdrucke, Temperaturen, Abgasmischung und Turbolader-Drehzahlen gemessen werden, bewertet der digitale Zwilling die Verbrennungseffizienz, den Turbolader-Verzögerungseffekt und potenzielle Emissionsüberschreitungen. Die Integration von physikbasierten Modellen mit Echtzeit-Sensordaten ermöglicht tiefgreifende Prozessanalysen, die zur Fehlererkennung und -behebung sowie zur Optimierung der Betriebsweise beitragen.

Das Netzwerkmodell für Prozesskomponenten bildet eine weitere wichtige Facette der digitalen Zwillingsmodellierung. Dabei wird das gesamte Werk als Netzwerk von Knoten (Prozesskomponenten) und Kanten (Material- und Energieflüsse) modelliert. Jeder Knoten stellt eine bestimmte Prozessoperation dar, die bestimmte Materialien transformiert. Ein Dampfboiler ist beispielsweise ein Knoten, der ein komprimiertes Flüssigkeitsgemisch durch Wärme in ein komprimiertes Gas verwandelt. Reaktoren sind Knoten, die die molekulare Organisation von Atomen in den Eingangsströmen umstrukturieren, um neue chemische Spezies zu erzeugen. Diese Transformationen können mathematisch modelliert werden, wobei die Erhaltung von Masse, Energie und auch Impuls die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten darstellen.

Ein solches Netzwerk ermöglicht eine genaue Leistungsbewertung, die auf den Entwurfsanforderungen basiert, und hilft dabei, operationelle Ineffizienzen zu identifizieren und Möglichkeiten zur Prozessoptimierung zu finden. Dies wird besonders deutlich, wenn die verschiedenen digitalen Zwillinge der Einzelprozesse zu einem Netzwerk zusammengeschaltet werden, wie es bei einem Zündmotor mit Turbolader der Fall ist, dessen digitale Zwillinge die Brennstoffgasmischung, die Luftkompression und -vorwärmung sowie das Abgasmanagement überwachen.

Für den Leser ist es wichtig zu verstehen, dass digitale Zwillinge nicht nur zur Effizienzsteigerung beitragen, sondern auch zur Risikominimierung und Fehlerprävention im Betrieb. Sie bieten eine Plattform für kontinuierliche Überwachung, Anomalieerkennung und proaktive Wartung, was sowohl zu einer Reduktion der Betriebskosten als auch zu einer Verbesserung der Anlagensicherheit führt. Diese Technologien eröffnen neue Wege für eine präzisere und nachhaltigeren Steuerung komplexer chemischer Prozesse und ermöglichen eine bessere Integration von Daten und physikalischen Modellen.

Wie die Digitalisierung die Kultur in Produktionsstätten verändert

Die Einführung datengetriebener Entscheidungsfindung kann nicht nur die Qualität von Entscheidungen verbessern, sondern auch die Unternehmenskultur tiefgreifend verändern. Im Kontext der modernen Fertigung, insbesondere in chemischen Anlagen, bedeutet dies einen fundamentalen Wandel von einer eher intuitiv und erfahrungsbasierten Entscheidungsfindung hin zu einem systematischen Ansatz, der auf objektiven Daten und kritischem Denken basiert. Wenn diese Veränderungen systematisch gefördert werden, können sie langfristig zu einer Kultur führen, die kontinuierliche Verbesserung, Innovation und eine stärkere Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen umfasst.

Datengetriebene Diskussionen in Produktionsstätten fördern nicht nur eine präzisere Entscheidungsfindung, sondern schaffen auch die Grundlage für eine kulturelle Transformation. Wenn Mitarbeiter regelmäßig in datenbasierte Dialoge eingebunden werden, verlagert sich die Entscheidungsfindung von persönlichen Erfahrungen und Intuition hin zu evidenzbasierten, transparenten und nachvollziehbaren Prozessen. Dies ermöglicht nicht nur effizientere Lösungen für bestehende Probleme, sondern führt auch zu einer stärkeren Bereitschaft, bestehende Annahmen zu hinterfragen und die Notwendigkeit von kontinuierlichem Lernen und Verbesserung zu akzeptieren.

Der Prozess der kulturellen Veränderung wird durch die Implementierung digitaler Technologien und Plattformen erheblich beschleunigt. Insbesondere durch den Einsatz von Manufacturing Execution Systems (MES) und Enterprise Resource Planning (ERP)-Systemen können Daten über verschiedene Abteilungen hinweg effizient geteilt werden. Diese digitalen Werkzeuge ermöglichen eine tiefere, umfassendere Sicht auf die Abläufe im Werk und verbessern die interdisziplinäre Zusammenarbeit. So wird nicht nur das Problem der Datenisolierung überwunden, sondern auch eine offene und dynamische Kommunikation zwischen den Abteilungen ermöglicht.

Ein gutes Beispiel für die Vorteile der digitalen Transformation zeigt sich in der Wartung und Produktion. In einem traditionellen Modell könnten Wartungsabteilungen von Produktionsplänen wenig wissen, was zu unvorhergesehenen Ausfällen und Produktionsverzögerungen führt. Durch die Einführung von vernetzten Systemen, die es ermöglichen, Produktions- und Wartungsdaten in Echtzeit zu teilen, können solche Missverständnisse vermieden werden. Echtzeitdaten ermöglichen es den Teams, aufkommende Probleme schnell zu identifizieren und zeitnah zu beheben, bevor sie größere Auswirkungen auf den Produktionsprozess haben. Eine solche reaktionsschnelle Arbeitsweise führt nicht nur zu weniger Ausfallzeiten, sondern fördert auch eine Kultur des kontinuierlichen Austauschs und der gemeinsamen Problemlösung.

Neben der Verbesserung der operativen Effizienz spielt die digitale Transformation auch eine entscheidende Rolle bei der Schulung und Weiterbildung der Mitarbeiter. In der Fertigungsindustrie sind hohe Fluktuationsraten oft ein Problem, da erfahrene Mitarbeiter wertvolles Wissen hinterlassen, das schwer zu ersetzen ist. Wenn diese Mitarbeiter das Unternehmen verlassen, verlieren sie nicht nur ihre praktischen Erfahrungen, sondern auch spezifisches Fachwissen über Prozesse, Techniken und Anlagenspezifikationen. Um diesem Wissenverlust entgegenzuwirken, bieten digitale Lösungen eine ausgezeichnete Möglichkeit, dieses Wissen zu bewahren und für alle Mitarbeiter zugänglich zu machen.

Online-Schulungsplattformen, die unter anderem Videos, Simulationen und interaktive Übungen anbieten, können dazu beitragen, das Wissen von erfahrenen Mitarbeitern auf neue Generationen zu übertragen. Virtual-Reality-Simulationen (VR) ermöglichen es den Schulungsteilnehmern, komplexe Maschinen und Prozesse in einer sicheren, virtuellen Umgebung zu erlernen, was nicht nur die Lernkurve verkürzt, sondern auch die Wissensvermittlung intensiviert. Durch den Einsatz von Gamification-Elementen wie Ranglisten und Belohnungen wird zudem die Motivation und das Engagement der Lernenden gesteigert.

Ein weiterer wichtiger Aspekt digitaler Plattformen ist ihre Fähigkeit, als zentrales Repository für Unternehmenswissen zu fungieren. Ein umfassendes, digitales Wissensmanagementsystem kann dabei helfen, Best Practices, Fehlerbehebungsrichtlinien und technische Handbücher zu sammeln und so für alle Mitarbeiter zugänglich zu machen. Wenn Mitarbeiter auf diese zentralisierten Informationen zugreifen können, sparen sie Zeit und reduzieren Fehlerquellen. In Kombination mit Foren, Diskussionsgruppen und Online-Plattformen zur Wissensweitergabe entsteht eine kollaborative Arbeitsumgebung, die auf den Prinzipien kontinuierlichen Lernens und Erfahrungsaustauschs basiert. Dies fördert nicht nur die persönliche Entwicklung der Mitarbeiter, sondern auch die Entwicklung innovativer Lösungen für bestehende Herausforderungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass digitale Technologien eine Schlüsselrolle bei der Umgestaltung der Unternehmenskultur spielen. Die Integration datengetriebener Entscheidungsprozesse, die Förderung der Zusammenarbeit durch den Austausch von Informationen und die Nutzung digitaler Lernplattformen können zusammen eine agile, innovative und effiziente Arbeitsumgebung schaffen. Dies führt nicht nur zu einer Verbesserung der operativen Leistungsfähigkeit, sondern auch zu einer nachhaltigeren und resilienten Organisationsstruktur.

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