27.11.2019

1

SENSORER OG INSTRUMENTERING I PROSESSINDUSTRIForskningssjef Mats Carlin, Prosess21, Trondheim 26.november 2019

22

Konsernsatsing: Prosessindustri

Teknologi for en fremtidsrettet, konkurranse‐dyktig og utslippsfri prosessindustri i Norge

Digitalisering er et av flere satsningsområder.

• Prosessindustrien representerer over 20% av Norges eksportverdi

• Prosessindustrien videreforedler ca. 35 TWh av Norges vannkraftproduksjon i året og bidrar til verdiskaping og arbeidsplasser over hele landet

• Totalt representerer prosessindustrien 20 prosent (12 millioner tonn CO₂‐ekv.) av samlede norske klimagassutslipp på 53,2 millioner tonn CO₂‐ekv.

• Prosessindustri er en del av komplekse, globale verdikjeder med lokal, nasjonal og internasjonal verdiskaping.

• Prosessindustri har høy kompetanse i hele verdikjeden fra råvarer til ferdige produkter og tjenester

1

2

27.11.2019

2

Sensors is a prioritizedresearch area.

Micro‐ and nanofabrication

of Si‐basedsensors and actuactors

Optics

Ultrasound

Piezoelectricmaterials

PhysiologyBiology

Acoustics

Photonics

3

Development, demonstration, prototyping  and manufacturing oftailormade sensingelements and sensor systems

The keystone!

SensorsAnalysis / Simulations Algorithm Development

With the right knowledge it can be  Faster  More robust Cheaper…. or all three

Understandingthe Physics

3

4

27.11.2019

3

SINTEF Minalab – R&D + production of sensors

5

Microsystems for medical and biological applications. Biosensors, sensors for in vivo measurements, Lab‐on‐chip and microfluidic technologies for Life Science research.

Optical MEMS are systems with structures in the micro‐to millimeter range whose purposes are to manipulate light. This includes waveguides, moving micro‐mirrors, diffractive gratings , photonic crystals applied to gas sensing or Infrared emitters 

Radiation sensorsAdvanced silicon radiation sensors from single and double sided strip sensors, pixel sensors to silicon drift diodes. 

MEMS (Micro‐Electro‐Mechanical‐System): Pressure sensors, inertial sensors, flowmeters, ultrasound transducers, energy harvester…

PiezoMEMS ‐ The integration of piezoelectric PZT thin films with MEMS can fulfill many of the requirements of sensors and actuators in tomorrow's smart systems.

Our main business is developing industrial real‐time sensor systems for measuring different parameters where off‐the‐shelf solutions do not exist. 

Research areas: 

• Machine Vision 

• Applied Optics 

• Harsh Environments Instrumentation

• Advanced Packaging and Interconnect

• Applied Health Technology

Smart Sensor Systems

6

5

6

27.11.2019

4

TOMRA & SINTEF"SINTEF is a key research partner for us in developing world‐class, sensor‐based sorting solutions. We have been working with them for more than 20 years in an extremely successful way." – Volker Rehrmann, Executive Vice President and CTO, Head of TOMRA Sorting Solutions

7

Waste Sorting SINTEF contribution:High speed dedicated spectrometer design and data analysis for large volume belt sorting

Food SortingSINTEF contribution:Dedicated high‐accuracy spectrometer design and geometry. Quantitative data analysis in collaboration with Nofima

Mining SortingSINTEF contribution:Design of high‐speed electromagnetic detection

Reverse Vending SortingSINTEF contribution:Dedicated spectroscopy, camera system design and data analysis for plastic bottles

8

7

8

27.11.2019

5

9

Prediktivtvedlikehold

Mobile roboterog droner

Big Data Value

Tjenesteorienterteprodukter

Sirkulær økonomi

Samarbeidene roboter

Digitale tvillinger

Fleksibel produksjon

FREMTIDENS INDUSTRI

Anvendelsesområder

FremtidsbildeEksempel: Fleksibel produksjon

10

Sensors

Sensorer i produktet styrer produksjonsflyt.

Mixed Reality

Arbeideren har tilgang til alle data om produksjonen.

Human Factor

Robot håndterer vilkårlige deler for rask omstilling.

Autonomy

Artificial Intelligence

Styrer produksjonen basert på etterspørsel og behov.

Roboten hjelper arbeideren på en trygg måte.

9

10

27.11.2019

6

Drivere for sensorer/instrumentering.

• Gode data er en forutsetning for industriell digitalisering.

• Volumproduksjon gir billigere sensorer.

• Internett‐of‐things – sensorer blir koblet på nett.

• Edge computing – Prosesseringskraft på eller nær sensor muliggjør distribuerte beregninger.

• Industri 4.0 – sensorer benyttes aktivt til å styre produksjonen via interaksjon mellom produkt og tilvirkningsprosess

• Tilgjengelig datakraft muliggjør kobling mellom sensordata og fysiske modeller av prosessene nærmere sanntid.

• Tjenester bygges på toppen av sensorer bygget inn i produktene.11

Anbefalinger om sensorer til Energi21• Utviklere av sensorer/leverandørindustri er sentrale for at bransjen skal få billige, pålitelige og energieffektive 

sensorermed fungerende kommunikasjonsløsninger tilpasset infrastrukturens beskaffenhet. 

• OED og Forskningsrådet – næringsrettede programmer: For å øke verdiskapningen og antall arbeidsplasser i Norge, bør IoT/sensorteknologi få en høyere prioritet i de næringsrettede programmene som kobler leverandørindustri med kraftprodusenter, nettselskaper og byggsektor/sluttbrukere. 

• Forskningsrådet – senter‐virkemidler (langsiktig, strukturerende forskning): For å sikre at man måler de rette parameterne i sensorsystemene slik at disse produserer "smarte data", samt utnytter dataene til en optimalisering av energisystemene, vil det være viktig å koble domenekunnskap om fysikken i energisystemene med domenekunnskap om sensorer og digitalisering. Dette gjøres best ved å ha langsiktige virkemidler som gir rom for å koble flerfaglig kunnskap tettere.

• Forskningsrådet – forskningsinfrastruktur: Nasjonale laboratorier som det nasjonale smart grid laboratoriet bør videreutvikles til et nivå som tar opp i seg state‐of‐the‐art forskning på sensor‐teknologi og IoT.

• Virkemiddelapparatet: For å drive fram en industriell utvikling og verdiskaping basert på (stor)data, anbefaler vi at virkemiddelapparatet bør gå sammen og utlyse en eller flere storskala piloter med tung industri‐forankring, f.eks. på IoT/cloud/edge computing.

• NVE: Sørge for gode næringsvennlige reguleringer av tilgjengeliggjøring av sensordatamellom ulike aktører i verdikjedene avgjørende for å skape en sterk leverandørindustri.

12

11

12

27.11.2019

7

Spesielle utfordringer i prosessindustri

• Ofte relativt lav grad av instrumentering i dag

• Ofte svært krevende miljø for sensorene (temperatur, trykk, etsende miljø, korrosjon, forurensninger, støv …)

• Hvert prosessanlegg er ofte unikt – utfordrende å skalere uten standardisering.

• Indirekte målinger kan være nyttige koblet med fysiske modeller av prosessene.

• Stor gevinst med smart instrumentering – bedre forståelse av prosessene.

13

Importance of sensor research

• Harsh environment sensor research – The process industry needs new sensors that operate in harsh environments. Without robust inline data, they will not realise the full potential of other digitalisation technology – AI, Machine Learning, Hybrid models etc.

• Standardised methodologies for testing COTS technology.When industries are testing off‐the‐shelf sensors, they need vendor‐neutral competence in the fundamental physics of the sensors during the testing, so that innovative solutions can be developed.

14

13

14

27.11.2019

8

Projects with strong sensor research

• SAM – Develop a self‐adapting model‐based system for process autonomy, using data‐based modelling and advanced sensors• BIA IPN, 4 years, 73MNOK, Project number 295945

• COGNITWIN ‐ Improve performance in Cognitive Production plants in the SPIRE Process Industry sectors of Aluminium, Silicon (Non Ferrous), Steel and Engineering through the use of Hybrid and Cognitive Digital Twins.• EU , 4 years, 87MNOK, Grant agreement ID: 870130

• Mainly COTS sensors adapted to processes

15

Bilfinger Digital Next GmbH 

Muliggjør effektiv, oversiktlig og trygg operatørarbeid

Obstacles for Process Autonomy and Optimisation

• Feedback from all companies

• No realtime online data available on important parameters• Temperature• Acidity• Chemical composition• Dust particles • Height or thickness of hot metal• No tracking of materials

• Manual sampling is a HSE risk

• Need for developing new sensors?16

15

16

27.11.2019

9

SFI DigiPro

17

The focus of the 4 research areas is research is delivering on the vision of "autonomous operation" using Industrial Pilots 

155MNOK

SINTEF, NORCE, USN UIA

AR‐smelt

18

Realize a digital twin of a laboratory metal smelting furnace using advanced photonics sensors and analytics, and visualise it using an AR digital interface that "sees" through smoke, furnace/crucible walls.

16MNOK IKTPLUSS

Forskeprosjekt 

SINTEF & NORCE

PhotonicsMetallurgy

Harsh environmentsensors and probes

AugmentedReality

Machine Learning

KnowledgeGrowth

Photonics based Mixed Reality Solution for theDigitalisation of High‐temperature Metallurgical Processes

ArtificialIntelligence

SINTEF NORCE

Modelling

17

18

27.11.2019

10

The NIDPI will unite interdisciplinary competence in digitalisation andbio/chemical/metallurgical processing, to build a national infrastructurethat enables research in novel robust sensor technology and advancedanalytics and modelling in land‐based process industries. This research willbe supported by an advanced e‐infrastructure that allows large‐scaletesting of technology and online process characterisation, including datavisualisation, management and security.

The NIDPI will unite interdisciplinary competence in digitalisation andbio/chemical/metallurgical processing, to build a national infrastructurethat enables research in novel robust sensor technology and advancedanalytics and modelling in land‐based process industries. This research willbe supported by an advanced e‐infrastructure that allows large‐scaletesting of technology and online process characterisation, including datavisualisation, management and security.

Norwegian Infrastructure for Digitalisationof Process Industries (NIDPI)

19

20

27.11.2019

11

NIDPI Investment in in the green dashed box

Teknologi for et bedre samfunn

21

22