Wie kann die Integration von OT und IT in der industriellen Fertigung zur Effizienzsteigerung und Risikominimierung beitragen?

Die Integration von Operational Technology (OT) und Information Technology (IT) in der Industrie hat nicht nur das Potenzial, die Effizienz und Flexibilität von Produktionsprozessen zu steigern, sondern auch Risiken zu minimieren, die mit veralteten Systemen und isolierten Netzwerken verbunden sind. Der moderne technologische Fortschritt bietet eine Vielzahl an Werkzeugen, um Sicherheitslücken zu schließen und die betriebliche Resilienz zu erhöhen, ohne die potenziellen Vorteile einer offenen, vernetzten Infrastruktur zu gefährden.

Traditionelle Ansätze, bei denen OT- und IT-Systeme in voneinander getrennten Umgebungen betrieben werden, haben sich als ineffizient und wenig anpassungsfähig erwiesen. Die durch die digitale Transformation angestoßene Verknüpfung dieser beiden Bereiche eröffnet jedoch neue Dimensionen der Prozessüberwachung und -steuerung, die es Unternehmen ermöglichen, datengestützte Entscheidungen in Echtzeit zu treffen, ohne die Kontrolle über kritische Produktionsdaten zu verlieren.

Neben der hardwaretechnischen Integration sind die Auswahl geeigneter Kommunikationsprotokolle von entscheidender Bedeutung. Traditionelle industrielle Netzwerke wie Modbus oder Profibus werden zunehmend durch modernere IoT-Protokolle wie MQTT oder OPC-UA ersetzt, um eine bidirektionale Datenkommunikation zwischen OT und IT zu ermöglichen. Diese Entwicklung reduziert die Komplexität und fördert eine bessere Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen.

In Bezug auf die Hardware müssen Unternehmen auf verschiedene Faktoren achten: Sie benötigen zuverlässige Feldgeräte, Kommunikationsgateways wie PLCs und RTUs, sowie ausreichend Kapazitäten für Server und Speicher in den Rechenzentren und in der Cloud. Der hohe Datenverkehr, der durch die zunehmende Vernetzung und die Übertragung großer Datenmengen erzeugt wird, erfordert eine präzise Berechnung der benötigten Bandbreite. Ein einfaches Beispiel: Wenn in einer Produktionsstätte 500 Sensoren mit einer Übertragungsrate von 10 kbps und einer Überkopfkomponente von 20 % arbeiten, beträgt die erforderliche Bandbreite insgesamt 6 Mbps. Solche Berechnungen sind notwendig, um die Netzwerkarchitektur so zu gestalten, dass sie für zukünftige Anforderungen skalierbar bleibt.

Mit der Entwicklung des Industrial Internet of Things (IIoT) werden die Möglichkeiten der Integration weiter ausgebaut. Im Gegensatz zu den traditionellen, kabelgebundenen Netzwerken des Distributed Control Systems (DCS) setzen IIoT-Systeme auf ein verteiltes Netzwerk von intelligenten Sensoren und Edge-Computing, was zu einer höheren Flexibilität und Skalierbarkeit führt. Diese Geräte bieten eine dezentrale Datenverarbeitung, wodurch Latenzzeiten reduziert und Echtzeitentscheidungen optimiert werden können. Die Verwendung von kabellosen Technologien und Edge-Computing ermöglicht zudem eine kostengünstige und effiziente Erweiterung von Netzwerkressourcen.

Das IoT in der Industrie hat nicht nur die Automatisierung, sondern auch die Wartungsstrategien revolutioniert. Smart Sensoren, die mit modernen IoT-Protokollen kommunizieren, bieten nun die Möglichkeit zur vorausschauenden Wartung. Diese Geräte sammeln kontinuierlich Daten und analysieren sie in Echtzeit, um frühzeitig Anomalien zu erkennen und Ausfälle zu verhindern. Solche Systeme sind nicht nur in der Produktion von Bedeutung, sondern finden auch Anwendung in anderen Bereichen wie der Landwirtschaft oder in Smart Cities, wo sie zur Verbesserung der Energieeffizienz und des Verkehrsmanagements beitragen.

Wichtig ist, dass Unternehmen bei der Umsetzung einer solchen digitalen Transformation nicht nur die technischen Anforderungen berücksichtigen, sondern auch die menschlichen und organisatorischen Aspekte in den Fokus rücken. Eine enge Zusammenarbeit zwischen den IT- und OT-Abteilungen ist essenziell, um Sicherheitslücken zu vermeiden und die Vorteile der digitalen Vernetzung vollständig zu nutzen. Zudem ist es von Bedeutung, dass alle Beteiligten in der Lage sind, mit den neuen Technologien und den durch sie generierten Daten effektiv umzugehen. Die Entwicklung eines umfassenden Schulungsprogramms für Mitarbeiter sowie eine ständige Anpassung der Sicherheits- und Compliance-Richtlinien sind unerlässlich, um eine nachhaltige und sichere Transformation zu gewährleisten.

Wie thermodynamische Grundlagen die Prozessinformationen in der chemischen Industrie bestimmen

Mit einem grundlegenden thermodynamischen Verständnis ist es außerdem möglich, zu prognostizieren, was passiert, wenn der Druck im Tank auf 1 Bar gesenkt wird. Solche Änderungen können vollständig simuliert werden, ohne dass der Druck tatsächlich in dem physischen Tank verändert werden muss. Dies gelingt mithilfe von thermodynamischen Zustandsgleichungen wie der Peng-Robinson- oder Redlich-Kwong-Gleichung sowie empirischen oder theoretischen Methoden zur Bestimmung von Materialeigenschaften, wie dem Prinzip der korrespondierenden Zustände oder den Methoden der Gruppenbeiträge.

Die Fähigkeit, diese thermodynamischen Berechnungen durchzuführen, bildet die Grundlage für das Design von chemischen Anlagen und ist für die Analyse der Prozessleistung von entscheidender Bedeutung. In einem System mit mehreren Komponenten, wie beispielsweise einer Mischung aus Zucker und Wasser oder einer wässrigen Salzlösung, reicht es aus, die Temperatur, den Druck und die Zusammensetzung der Mischung zu kennen, um die Zustandsgrößen der Mischung festzulegen. Die Messung der Zusammensetzung einer Mehrkomponentenmischung ist dabei eine komplexere Angelegenheit. Die Zusammensetzung einer Mischung lässt sich durch die Bestimmung der Konzentration der verschiedenen in der Mischung enthaltenen chemischen Spezies ermitteln.

Für eine Mischung mit n Komponenten ist es notwendig, die Konzentrationen von (n - 1) Komponenten unabhängig zu messen, um die Zusammensetzung eindeutig festzulegen. In vielen Fällen können jedoch vereinfachende Annahmen getroffen werden, etwa bei verdünnten Lösungen, bei denen eine der Komponenten in weit größerer Menge als die anderen vorhanden ist. Diese Annahmen erleichtern es, die Zusammensetzung solcher Mischungen zu bestimmen.

In einer chemischen Anlage, bei der Stoffströme durch verschiedene Prozessschritte fließen, kann die Kenntnis der Temperatur, des Drucks, der Zusammensetzung und der Strömungsraten an den Ein- und Auslässen der einzelnen Einheiten eine umfassende Datengrundlage für die Analyse der Prozessinformationen bereitstellen. Für jede Zuflussströme wird angenommen, dass sie mi Spezies enthalten, während für jeden Abflussstrom angenommen wird, dass er mo Spezies enthält. Für einen bestimmten Prozess müssen dann insgesamt Nmessungen = i ∗ (3 + mi - 1) + o ∗ (3 + mo - 1) Messungen durchgeführt werden, um eine umfassende Analyse des Prozesses zu ermöglichen. Dabei werden für jeden Strom die Temperatur (T), der Druck (P) und die Strömungsrate (Q) als grundlegende Parameter betrachtet.

Im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen müssen zusätzlich Reaktionskinetik und thermochemische Prinzipien berücksichtigt werden. Reaktionsgesetze, Arrhenius-Formeln und Reaktordesign-Gleichungen helfen, Reaktionsraten und Prozessdynamiken abzuschätzen. Thermochemische Berechnungen zur Enthalpie von Reaktionen und Gleichgewichtskonstanten liefern wichtige Hinweise auf die Reaktionsfähigkeit und den Energiebedarf der Reaktionen. Die Integration dieser Aspekte ermöglicht ein umfassendes Verständnis der Prozessdynamik.

Die Modellierung von chemischen Reaktionen in verschiedenen Umwelt- und Industrienprozessen erfordert spezialisierte Methoden und Datenbanken, die die Reaktionsmechanismen, Transportprozesse und Gleichgewichtberechnungen erfassen. Für die geochemischen Prozesse in Gewässern wird beispielsweise Software wie PHREEQC verwendet, um die chemische Speziation, Löslichkeitsgleichgewichte und Reaktionskinetik in natürlichen und technischen Wässersystemen zu modellieren. Diese Modelle nutzen Gleichgewichtsberechnungen zusammen mit thermodynamischen Datenbanken, um die Metallfällung, Adsorption und Karbonatgleichgewichte zu prognostizieren, was für die Wasserqualität und die Sanierung von Gewässern von entscheidender Bedeutung ist.

Ein weiteres Beispiel für spezialisierte Software ist Cantera, das die Simulation von chemischen Reaktionsmechanismen, Flammenausbreitung und die Bildung von Schadstoffen in Verbrennungssystemen ermöglicht. Cantera bietet eine objektorientierte Plattform zur Lösung gekoppelter Probleme in den Bereichen Reaktionskinetik, Thermodynamik und Transportprozesse und ist daher ein unverzichtbares Tool für die Entwicklung energieeffizienter Verbrennungsmotoren und die Forschung zu alternativen Brennstoffen.

In der Biochemie und Abwasserbehandlung werden Softwarelösungen wie BioWin verwendet, um Prozesse der aktiven Schlammbehandlung, anaerobe Vergärung und Nährstoffentfernung zu simulieren. Diese Modelle integrieren Monod-basierte Reaktionskinetik, Massenbilanzen und mikrobielle Wechselwirkungen, um die Betriebsführung von Kläranlagen zu optimieren und die Effluentqualität zu verbessern. Die Integration solcher kinetischen Modelle in Prozesssteuerungsstrategien erhöht die Vorhersagefähigkeit und Entscheidungsfindung im Bereich der Umwelttechnik.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die präzise Messung und das Verständnis der grundlegenden thermodynamischen Parameter wie Temperatur, Druck und Zusammensetzung entscheidend sind, um das Verhalten von Stoffströmen in chemischen Prozessen zu verstehen. Moderne Softwarelösungen und fortgeschrittene Modellierungsansätze ermöglichen es, komplexe chemische Reaktionen und Transportphänomene genau abzubilden, was nicht nur die Effizienz der Produktionsprozesse steigert, sondern auch die Qualität der Endprodukte und die Nachhaltigkeit der Verfahren verbessert.