Net-Zero-Factory: So gelingt Nachhaltigkeit in der Produktion

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Wie viele anderen industrielle Bereiche sucht auch die energieintensive Glasherstellung nach Möglichkeiten, um das Klimaziel einer Net-Zero-Fabrik zu erreichen. Auf der Grundlage des offenen IIoT-Frameworks von PLCnext Technology hat Phoenix Contact einen neuen Lösungsansatz für betroffene Unternehmen entwickelt.

Net-Zero-Factory als Ziel: Im Jahr 2009 führte ein international tätiger Turn-Key-Glasanlagenfertiger die Inbetriebnahme einer Anlage in Ägypten durch. An dem Projekt war ein Hersteller von Verpackungsglas für die Getränke- und Lebensmittelindustrie beteiligt. Seinerzeit ging es um die Systemanbindung eines nachträglich integrierten Boosting-Systems. Darunter ist eine elektrische Zusatzbeheizung zu verstehen, die im Wall verbaut ist, also der Barriere der Schmelzwanne. Die Glasrohstoffe – vornehmlich Quarzsand, Kalkstein, Soda und recycelte Glasscherben – werden der Schmelzwanne chargenweise oder kontinuierlich zugeführt und dort zu einer flüssigen Glasschmelze aufgeschmolzen.

Net-Zero-Factory: Die Herausforderung Glasindustrie

Die elektrische Zusatzbeheizung zielt darauf ab, die Glasqualität zu verbessern, die Anlagenflexibilität zu erhöhen sowie die Haltung einer konstanten Wannentemperatur zu optimieren. Darüber hinaus sollen Emissionen, wie Stickoxide, Schwefeloxide oder Kohlendioxide, reduziert sowie insbesondere fossile Energieträger effizienter im Schmelzprozess genutzt werden.

War es damals noch eine wirtschaftliche Entscheidung, erweist sich diese 14 Jahre später als letzte Chance zur Überführung des industriellen Sektors und speziell der im Glasbereich verwendeten Thermoprozesstechnik mit Hochdruck in nachhaltige Fabriken. Zudem verändern die Klimaerwärmung, der aus der Digitalisierung resultierender Wettbewerbsdruck, der demografische Wandel, die Deglobalisierung und die weltpolitische Lage alle Lebensbereiche wie auch Lieferketten immer schneller. Dieser Wandel eröffnet jedoch bisher ungeahnte Möglichkeiten für nachhaltige digitale Prozesse, neue Geschäftsmodelle und agile Arbeitsweisen.

Minimalinvasive Erfassung der genutzten Medien

Vor diesem Hintergrund beschreibt die All Electric Society eine Welt, in der regenerativ erzeugte elektrische Energie die primär genutzte Energieform darstellt. Sie ist im Überfluss, wirtschaftlich sowie CO2-neutral vorhanden. Die Industrie spielt für die Klimaneutralität eine Schüsselrolle, denn mit ihren Lösungen lassen sich sämtliche weiteren Sektoren wie Energie, Infrastruktur, Gebäude und Mobilität elektrifizieren.

Um zum Beispiel der Glasfabrik zurückzukommen, müssen hier zur erfolgreichen Umsetzung von langfristigen nachhaltigen Klimastrategien auf dem Weg zur Net-Zero-Factory alle Bereiche betrachtet werden. Das beginnt beim Rohstofflager sowie dem Gemengehaus und zieht sich über die Fertigung sowie die mediale Versorgung bis zum Verpackungs- und Lagerbereich sowie den entsprechenden Gebäuden. Geschieht dies nicht, scheitern die Ansätze zur Senkung von Treibhausgasen oder Erfüllung von Richtlinien zur Umwelt- und Wesentlichkeitsanalyse des Unternehmens oftmals.

Net-Zero-Factory: Glasherstellung steht vor großen Herausforderungen

Gerade die Bestandsfabriken der hybriden Industrie der Glasherstellung, die unterschiedliche flüssige und gasförmige Medien in ihren Anlagen einsetzen, stellen die Betreiber derzeit vor schwierige Aufgaben. Bei den Brennstoff-/Luft-Gemischen der Schmelz-, Arbeits- und Verteilerwannen und den Vorherden ebenso wie bei den Kühlprozessen der Rollenkühlbahnen ist daher jeder Kubikmeter Brennstoff sowie Liter Wasser – beispielsweise zur Elektrodenkühlung – nicht nur effizient, sondern vor allem ressourcenschonend und intelligent zu ermitteln. In einer sich ständig erweiternden und interoperabel vernetzten Fabrik muss diese Methodik ferner minimalinvasiv möglich sein. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich um einen diskreten oder verfahrenstechnischen Bereich innerhalb der Glasfabrik handelt oder ob bewährte Übertragungssysteme wie Profibus, Profinet und Ethernet IP oder moderne Protokolle wie OPC UA oder Sparkplug genutzt werden.

Machine Learning zeigt Optimierungspotenzial auf

Durch das frühzeitige Erkennen ungewöhnlicher Verhaltensmuster in den Sensoren und Aktoren, die vom Heiß- bis zum Kaltende installiert sind, lassen sich nicht nur Störungen in den Prozessen vermeiden. Der vorausschauende Ansatz bietet viele weitere Potenziale:

Erhöhung der Gesamtanlageneffektivität (OEE) der Glas­maschinen (individual section machine) sowie eine deutliche Verringerung des Ausschusses

Effektives und intelligentes Betreiben der Brennstoff-Luft-Gemische sowie der elektrischen Beheizungen

Smarte und zustandsorientierte Überwachung der prozess- und sicherheitsgerichteten Sensorik zur Messung von Emissionen, dem Herdraumdruck, Kaminzug und Glasstandsniveau sowie verschiedener Verhältnisse, Temperaturen und Drücken in der gesamten Fabrik.

Über den Online-Marktplatz PLCnext Store des offenen Ökosystems PLCnext Technology stellt Phoenix Contact das Machine-Learning-System MLnext zur Unterstützung der Fachkräfte zur Verfügung. Für die Prozessoptimierung benötigt MLnext lediglich eine Steuerung oder ein Edge Device mit Container-Visualisierung – zum Beispiel die Docker-fähige PLCnext Control.

Digital Factory now stellt Automatisierungslösungen für die Net-Zero-Factory bereit

Damit sich diese Methodiken nachträglich in die über 1.400 Glasfabriken weltweit integrieren lassen, hat Phoenix Contact die Initiative „Digital Factory now“ entwickelt, die sich an der All Electric Society ausrichtet. Für die Segmente der Netzwerk- und Kommunikationstechnik, Datensicherheit sowie das Sammeln und Auswerten von Daten durch IIoT- und ML-Konzepte stellt Digital Factory now offene und standardisierte Automatisierungslösungen auf Basis der PLCnext Technology bereit. Diese erlauben dem Maschinen- und Anlagenbauer, Systemintegrator oder Glashersteller die Umsetzung individueller Produkte und Lösungen für den spezifischen Anwendungsfall – und das von der Glasproduktion bis zum jeweiligen Gebäude.

In diesem Zusammenhang setzt insbesondere die OT-Security-Zertifizierung der PLCnext-Control-Familie durch den TÜV Süd gemäß IEC 62443-4-2 in Kombination mit der bereits bestehenden Safety-Zertifizierung neue Maßstäbe. Bei der IEC 62443-4-2 handelt es sich um die international führende Norm der OT-Security, die funktionale Sicherheit wird durch die Sicherheitsnormen IEC 61508, ISO 13849 und IEC 62061 beschrieben.

Zur Realisierung erfolgreicher Automatisierungslösungen müssen beide Sichtweisen in Zukunft verknüpft werden. Durch die Forderung nach einem Schutz vor Verfälschungen und die Aufnahme des Bereichs Fernzugriff rückt der OT-Security-Aspekt deshalb in der kommenden Maschinenverordnung stärker in den Fokus. Die zertifizierte PLCnext-Control-Familie setzt die neuen Anforderungen der Maschinenverordnung schon jetzt um.

Signalanbindung durch smartifizierte Trennverstärker

Die Anwender möchten das Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis durch eine parallele Sensorik ohne den Eingriff in die vorhandene funktionale sowie Prozesssicherheit oder alternativ ihr DCS (Distributed Control System) optimieren. Außerdem soll künstliche Intelligenz zur Effizienzsteigerung eingesetzt sowie ein segmentiertes Netzwerk gemäß IEC 62443 aufgebaut werden, um Datenkollisionen oder illegale Fernzugriffe zu verhindern.

Beides ist zugleich möglich, indem die Signale feldseitig durch die kompakten und sicheren Trennverstärker Mini Analog Pro an das IIoT-Framework eines PLCnext-Edge-Devices angebunden oder schlüsselfertig in die Utility-Metering-Schaltschränke inte­griert werden. Dort lassen sich die Signale direkt aufbereiten und anschließend über das freie Framework ohne weitere Daten­silos in Echtzeit bidirektional an die jeweiligen Teilnehmer der IT/Cloud-, ERP/MES- oder DCS-Seite normiert versenden. Wenn notwendig, optimiert das offene Machine-Learning-System MLnext die Informationen aus den Medien und Anlagen parallel noch vor Ort oder im nachgelagerten Server.

Bereits vor über tausend Jahren wurde im alten Ägypten und in Mesopotamien Glas gefertigt. Auf der Grundlage der All Electric Society und der Werkzeuge der Digital Factory now stehen nun entsprechende Produkte, Applikationen und Lösungen zur Verfügung, welche die Glasindustrie in eine nachhaltige, sicher vernetzte Zukunft der Net-Zero-Factory führen.

Der Autor Markus Kick ist tätig im Vertical Market Management, International Business Development Manager bei der Phoenix Contact Electronics GmbH.

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