Auf dem Weg zu Industrie 4.0 - Namur Open Architecture: Yokogawa
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Macher und Meinung
NOA soll keineswegs das Ziel sein, sondern den Weg für eine digitalisierte Prozessindustrie ebnen:
Dr. Thomas Tauchnitz, Sanofi-Aventis Deutschland GmbH und NAMUR-Arbeitskreis 2.8
Namur Open Architecture:
Auf dem Weg
zu Industrie 4.0
A
uf der einen Seite die bewährte, in eine star- Damit der Beitrag ohne Blättern in der Literatur gut ver-
re Pyramidenform strukturierte Prozessauto- ständlich lesbar ist, werden - natürlich in Abstimmung mit
matisierung, auf der anderen Seite der inno- den Autoren - Teile aus der genannten Veröffentlichung [2]
vative, flexible und hierarchiefreie Industrie verwendet, ohne es einzeln zu referenzieren. Die Abschnitte
4.0-Ansatz - wie soll das zusammenpassen? Die Antwort 1 und 2 wurden gründlich überarbeitet, Abschnitt 3 ist voll-
der NAMUR auf diese Frage heißt NOA - NAMUR Open Ar- ständig neu. Die Details der vier Demonstratoren werden im
chitecture. Dieser Ansatz wurde auf der NAMUR-Hauptsit- Anschluss an diesen Beitrag separat dargestellt.
zung 2016 vorgestellt und in der atp-edition [1] detailliert
präsentiert. Auch in der atp-plus [2] gab es bereits einen
Einführungsbericht. Das ist ein Jahr her. Die vier Demons- 1. Warum wurde NOA entwickelt?
tratoren von 2016 wurden weiterentwickelt und auf der Die klassische Prozessautomatisierung hat seit den 1970er
NAMUR-Hauptsitzung 2017 präsentiert. Wie ist der aktu- Jahren eine klare, hierarchische, allgemein anerkannte
elle Stand? Wie geht es weiter? Wann zieht NOA in die Be- Struktur. Diese wird in der sogenannten „Namur-Pyramide“
triebe ein? Diese Fragen sollen in diesem Beitrag beant- beschrieben, auch als „Automatisierungspyramide der Pro-
wortet werden. zessleittechnik“ oder „Ebenenmodell“ bezeichnet, und ist
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Macher und Meinung
seit ihrer Veröffentlichung eine bewährte und anerkannte immer kleiner werden lässt? Oder eine völlig neue, offene,
Automatisierungsstruktur [3, 4]. In der Feldebene werden nicht qualitätsgesicherte Industrie-4.0-Prozessautomatisie-
die Sensorsignale erfasst und die Aktoren angesteuert. Die rung riskieren?
Prozessleitebene fokussiert sich auf die optimale Visualisie-
rung, Automatisierung, Steuerung und Regelung des Pro- Eine engagierte und teilweise hitzige Diskussion über Lö-
zesses, darüber sind die Betriebsleitebene, die Produktions- sungsmöglichkeiten setzte schnell nach Veröffentlichung
leitebene und schließlich die Unternehmensleitebene. Die des Industrie-4.0-Ansatzes ein. Auf der NAMUR-Hauptsit-
unteren Ebenen haben hohe Anforderungen an Echtzeitfä- zung 2015 wurde plötzlich vom „zweiten Kommunikati-
higkeit, Verfügbarkeit und Datendurchsatz, die oberen Ebe- onskanal“ zu den Feldgeräten gesprochen - man könnte
nen haben komplexere Funktionen und eine intensive In- ja die Feldgeräte mit einem Funkmodul nachrüsten und
tegration in die Geschäftsprozesse der Unternehmen. Auch damit den Zugang zur offenen Welt auf Gerätebasis rea-
wenn die technische Realisierung heute nicht mehr unbe- lisieren. Aber sollte der Bau einer solchen Parallelwelt
dingt in getrennten Systemen erfolgen muss - die Anforde- in jedem Fall sinnvoll sein - immerhin würde er eventu-
rungen an die jeweiligen Lösungen gelten unverändert, so ell auch den Engineering-Aufwand verdoppeln und wirft
dass eine funktionale Strukturierung in Ebenen noch immer viele Fragen z.B. hinsichtlich Security auf. Mit der syste-
sinnvoll ist. matischen Behandlung dieser Fragen wurde der NAMUR-
Arbeitskreis 2.8 „Automatisierungsarchitekturen“ beauf-
Doch den Vorteilen der für den Anwendungsfall in der Pro- tragt. Und schon zur NAMUR-Hauptsitzung 2016 wurde
zessindustrie optimierten Systeme stehen naturgemäß eine erste Architektur vorgestellt. Denn glücklicherweise
Nachteile gegenüber. Generell sind sie weniger offen, son- gibt es einen besseren Ansatz als „entweder klassisch
dern geschlossen und monolithisch. Dadurch ist einerseits oder offen“ und als „beides parallel“. Und dieser Ansatz
die eindeutige Verantwortlichkeit des Systemherstellers heißt NAMUR Open Architecture - NOA. Dabei bleibt die
und -integrators gewährleistet, andererseits hat diese feh- klassische Prozessautomatisierung für die Kern-Prozes-
lende Offenheit mehrere gravierende Nachteile. Sie ver- sautomatisierung erhalten - und mit ihr die Vorteile der
hindert es, neue Technologien schnell einzusetzen, da auf Echtzeitfähigkeit, Verfügbarkeit und IT Security. Aber
die Realisierung innerhalb der jeweils vorhandenen, meist diese „Insel“ bekommt klar definierte Häfen für den Ex-
monolithischen, Systeme gewartet werden muss. Häufig und Import von Daten. So können der offenen Welt alle
ist dafür der Austausch oder zumindest ein Upgrade der benötigten Daten zur Verfügung gestellt werden, ohne
Systeme und Infrastruktur erforderlich, was erst nach Ent- die Funktionalität der Kern-Prozessautomatisierung zu
wicklung der Systeme erfolgen kann und hohen finanziel- gefährden. Und wenn aus der offenen Welt Daten in die
len und Engineering-Aufwand erfordert. Das hat beispiels- Kern-Prozessautomatisierung zurückgespielt werden sol-
weise den Einsatz von Feldbussystemen in bestehenden len wie z.B. Vorschläge für bessere Betriebspunkte, Reg-
Anlagen nahezu unmöglich gemacht. Außerdem erzwingen lerparameter, dann werden diese Daten einem Prüfschritt
die hohen Anforderungen an Anlagensicherheit und Ver- unterzogen, einer „Verification of Request“, damit sie die
fügbarkeit ein aufwendiges und dokumentiertes Vorgehen. Kern-Prozessautomatisierung nicht gefährden.
Experimente nach der Trial-and-Error-Methode verbieten
sich ebenso wie schnelle Tests von geänderten Methoden Das Grundkonzept von NOA wird in Abbildung 1 dargestellt.
in Bestandsanlagen. Rechts – grau hinterlegt – ist die klassische Automatisie-
rungspyramide. Daneben – rosa hinterlegt – ist die Welt au-
Außerhalb der Prozessautomatisierung erleben wir die hohe ßerhalb der Prozessleitsysteme, deren Bezug zu aufkom-
Innovationskraft der Digitalisierung. Dienstleister, Händler, menden Industrie 4.0 Anwendungen durch die Wolke der
Logistikunternehmen, Finanzsysteme - alles ist weltweit Cloud symbolisiert wird. Die Anbindung NOA ist sowohl of-
vernetzt und funktioniert rund um die Uhr ohne menschli- fen als auch sicher.
chen Eingriff. Die Idee, die Möglichkeiten der Digitalisierung
auch für die Industrie zu nutzen, wurde bekanntlich im April NOA soll folgende Kriterien erfüllen:
2013 unter dem griffigen Titel „Industrie 4.0“ veröffentlicht
[5.] Hier entsteht die Vision von integrierten Netzwerken ▶▶ NOA kann optional und additiv zur bewährten Automati-
über die Werks- und Firmengrenzen hinweg und der digi- sierungsarchitektur eingesetzt werden.
talen Durchgängigkeit für Anlagen- und Produkt-Lebenszy-
klus. Statt hierarchischer Strukturen spricht jedes Element ▶▶ NOA darf die Verfügbarkeit und Sicherheit der existieren-
mit jedem, statt geschlossener Systeme und langer Innova- den Automatisierung nicht einschränken oder gefährden.
tionszyklen gibt es eine weltweite Offenheit in Clouds, star-
tup-Mentalität und Experimentierfreude. ▶▶ NOA verwendet bestehende Standards und ist dadurch
offen und herstellerunabhängig.
Doch was können die Betreiber, die NAMUR als Interessenge-
meinschaft oder die Hochschulen in einer solchen Situation ▶▶ NOA soll schnell und kostengünstig implementierbar sein.
tun? Sich trotzig auf die Insel der klassischen Prozessauto-
matisierung setzen und die Vorteile der offenen Welt igno- ▶▶ NOA soll Schnittstellen für verschiedene Ebenen der Auto-
rieren? Zuschauen, wie der Industrie-4.0-Sturm diese Insel matisierung anbieten.
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Macher und Meinung
Abbildung 1: Die Struktur der NAMUR Open Architecture, Darstellung der Datenflüsse.
▶▶ NOA soll für bestehende Anlagen und Installationen ver- betrieb der Anlage gewährleistet. Dort sind die Aktoren/
fügbar sein. Sensoren sowie das Prozessleitsystem bzw. SPS mit SCA-
DA mit ihren Bedien- und Engineering-Stationen. Es sind
Der Charme von NOA liegt in der Anpassungsfähigkeit in be- mehrere graue Bereiche gestaffelt dargestellt als Hinweis,
stehende Anlagen („Brownfield“). Durch offene Ansätze in dass die Kernautomatisierung auch modular aufgebaut
Koexistenz mit bewährten Strukturen können bestehende sein kann [6, 7].
Anlagen nachgerüstet werden, um neue innovative Anwen-
dungen zu implementieren. ▶▶ Daneben sind zwei rosa gefärbte Bereiche. Sie stehen für
Automatisierungsfelder, die heute teilweise schon vor-
Für die klassische Automatisierung bedeutet die konzepti- handen sind und Aufgaben zur Optimierung und Über-
onelle Entwicklung von NOA jedoch keinen Entwicklungs- wachung (Monitoring and Optimization, M+O) überneh-
stopp. Auch im Bereich von Core Process Control sind wei- men. Hierbei handelt es sich um Aufgaben, die nicht für
tere technologische Entwicklungen, wie zum Beispiel eine die Kernautomatisierung eingesetzt werden und somit
offene Schnittstelle zwischen Feldgeräten und Prozessleit- keinen direkten Einfluss auf die Anlagenverfügbarkeit ha-
system sowie die Weiterentwicklung von IP-basierten Kom- ben. Diese Betrachtung ermöglicht eine Differenzierung in
munikationstechnologien für die Feldebene, notwendig. den Anforderungen, sodass ein Raum für neue innovative
Anwendungen entsteht, ohne in Konflikt mit den Anfor-
Der folgende Abschnitt 2 stellt die Architektur und die Da- derungen den klassischen Automatisierungsaufgaben zu
tenflüsse von NOA im Einzelnen vor. In Abschnitt 3 werden kommen.
vier aktuelle Demonstratoren zusammenfassend darge-
stellt. Abschnitt 4 gibt schließlich einen Ausblick über die ▶▶ Im Bereich Plant Specific M+O finden sich betriebsnahe
nächsten Schritte zur Realisierung von NOA. Zwei allgemei- Applikationen und Services, wie beispielsweise Advanced
ne Anwendungsbeispiele wurden bereits in [2] dargestellt Process Control.
und brauchen hier nicht wiederholt zu werden: Monitoring
des Fouling-Verhaltens an Wärmetauschern und Plant Asset ▶▶ Bei Central M+O sind anlagenübergreifende Applikatio-
Management. nen und Services, wie Reliability Center oder Plattformen
für Advanced Analytics für prädiktive Instandhaltungs-
anwendungen zu finden. Im Zuge der fortschreitenden
2. Übersicht NAMUR Open Architecture Vernetzung und Digitalisierung ist ferner eine firmenüber-
NOA unterscheidet drei Bereiche, wie Abbildung 1 gezeigt. greifende Vernetzung über Central-M+O-Komponenten
zu erwarten; beispielsweise einen gemeinschaftlichen
▶▶ Der graue Bereich („Core Process Control“) ist die Kernau- Serviceansatz zwischen Anlagenbetreibern und Equip-
tomatisierung, die den sicheren und zuverlässigen Kern- mentherstellern. Der M+O-Bereich bildet somit eine of-
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Macher und Meinung
Tim Henrichs
Marketing Manager Europe (Chemical Industry), Yokogawa Deutschland GmbH
Es reicht nicht, dass wir Ingenieure uns freuen, dass man eine einzelne Lampe in seinem Zimmer digitali-
NOA technisch machbar ist. siert. Wenn ich aber an ein Modul wie zum Beispiel das
Heizungssystem oder das Bewässerungssystem des
NOA wurde ins Leben gerufen, weil man genau wusste, Gartens denke, lässt sich mit absehbarem Aufwand für
dass der ganz große Wurf nicht gelingen kann: nämlich den Alltag ein Nutzen schaffen, ohne dass die bereits
eine komplette Anlage, z. B. aus dem Brown-Field, auf vorhandene Technologie im Haus komplett ausge-
direktem Wege in Industrie 4.0 zu katapultieren. Betrei- wechselt werden muss.
ber von Bestandsanlagen können sich das jedenfalls
nicht vorstellen. Es wäre sinnvoll, größere Einheiten wie Anlagenteile,
sprich Module, über NOA zu digitalisieren. Erst diese
Stattdessen wurde am anderen Ende der Skala sozu- richtige Skalierung entscheidet darüber, wie hoch der
sagen der ganz kleine Wurf geübt: Daten eines Assets Nutzen am Ende ist.
aus der Automatisierungspyramide wurden in die
Cloud geschrieben und verarbeitet. Das ist als techni-
scher Proof of Concept zwar hilfreich, aber eben viel
zu kleinteilig. Allein die Machbarkeit aufzuzeigen, ist
spannend, spiegelt aber keinen verwertbaren Busi-
ness Case wider – der wirtschaftliche Nutzen ist irrele-
vant oder gar nicht erst vorhanden.
Wir müssen den richtigen Formfaktor, die angemesse-
ne Einheit finden. Man digitalisiert ja auch nicht sein
komplettes Haus auf einen Schlag, genauso wenig, wie
fene Grundlage für neue Applikationen, Services und Ge- glementiert erfolgen darf, um Rückwirkungen auf die Kern-
schäftsmodelle im Sinne von Industrie 4.0. Prozessautomatisierung zu verhindern. Die Spezifikation
solcher Schnittstellen und der zugehörigen Informations-
Die Einordung in die Bereiche muss applikationsspezifisch modelle basierend auf bestehenden Standards ist eine der
erfolgen. Eine entsprechende Metrik zur Einordnung wird Hauptaufgaben des AK 2.8.
durch den Namur-AK 2.8 erarbeitet.
In den folgenden Abschnitten werden vier Datenflüsse im 2.2 Zweiter Kommunikationskanal für beste-
Detail beschrieben. Die Nummern der Abschnitte sind in Ab- hende Feldgeräte
bildung 1 dargestellt. Neben einer offenen Schnittstelle aus den Prozessleitsyste-
men in den M+O-Bereich setzt sich NOA mit der Konzepti-
onierung und Strukturierung eines zweiten Kommunikati-
2.1 Offene System-Schnittstelle onskanals auseinander, um einen einfachen und flexiblen
Die im M+O-Bereich laufenden Applikationen und Services Informationsfluss aus installierten Feldgeräten zu gewähr-
speisen sich durch einen einfachen Zugriff auf Daten und leisten und zusätzliche Information über den Prozess oder
sind durch schnelle Innovationszyklen gekennzeichnet, den Status des Feldgeräts zu gewinnen. Ein solcher zweiter
losgelöst von den langen Lebenszyklen der Anlagen. Offe- Kommunikationskanal ist für permanente Instrumentie-
ne und herstellerunabhängige Schnittstellen aus der Kern- rung nur erforderlich, wenn die Systeme der Kernautoma-
automatisierung in den Bereich von M+O sind hierfür eine tisierung die Daten nicht transparent und offen zur Verfü-
Grundvoraussetzung. Diese Schnittstellen sorgen für eine gung stellen können. Gerade bei Bestandsanlagen ist dieser
Entkopplung zwischen den jeweiligen Bereichen sowie für Ansatz interessant, da häufig schon intelligente Geräte im
einen standardisierten Übergang. Die in Abbildung 1 einge- Feld verbaut sind, die Daten aber weitestgehend ungenutzt
zeichnete „Diode“ zeigt an, dass der Datenfluss nur stark re- bleiben. Häufig endet die „Intelligenz“ der Geräte schon im
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Macher und Meinung
Abbildung 2: Die Struktur der NAMUR Open Architecture, Darstellung der Demonstratoren 3.1, 3.2.
Remote-I/O-System, wo die HART- bzw. Feldbussignale ab- Life-Cycle-Management. Über den Lebenszyklus der Anlage
gekoppelt und nur noch die Messwerte an das PLS weiterge- muss über geeignete Maßnahmen sichergestellt werden,
geben werden. dass M+O-Sensoren nicht für Kernautomatisierungsaufga-
ben eingesetzt werden, da es sonst zu einer Vermischung
Ein wesentlicher Punkt beim zweiten Kommunikationska- der Anforderungsprofile und letztendlich der geforderten
nal ist die informationsschutztechnische Rückwirkungsfrei- Verfügbarkeiten kommen kann. Daher sind Kernautomati-
heit. Es muss sichergestellt werden, dass der zweite Kom- sierung und M+O strikt zu trennen.
munikationskanal keinerlei Rückkopplung auf die primäre
Kommunikation und auf die eingestellten Parameter des
Feldgeräts hat. Dies ist in Abbildung 1 durch die „Diode“ auf 2.4 Verification of Request
dem Signalpfad angezeigt. Mit heutigen Kommunikations- Neben lesendem Zugriff aus der Kernautomatisierung in
protokollen, wie HART, lässt sich eine Rückwirkung nicht die M+O-Bereiche muss ebenso eine Möglichkeit geschaf-
ohne weiteres vermeiden. Auch eine zusätzliche Kommuni- fen werden, Werte aus dem rosa Bereich, beispielsweise
kationsschnittstelle parallel zu bestehenden Busprotokol- Sollwerte bei Advanced-Process-Control-Anwendungen, zu-
len, wie OPC UA in den Feldgeräten, stellt als Seitenkanal ein rückzuschreiben. Um diese schreibenden Zugriffe aus dem
Sicherheitsrisiko dar. Somit müssen Maßnahmen getroffen M+O-Bereich in die Prozessführung abzusichern, werden Ve-
werden, um die Veränderung von Sensoreinstellungen über rification-of-Request-Funktionen benötigt. Die Verification
die zweite Schnittstelle zu unterbinden. Um hier technisch of Request könnte im einfachsten Fall die Prüfung und Frei-
tragfähige Lösungen zu erreichen, ist eine frühzeitige Mitar- gabe durch den Anlagenfahrer sein. Denkbar wären auch
beit von Feldgeräteherstellern erforderlich. automatische Prüfungen, etwa auf plausible Wertebereiche
oder rezeptabhängige Parameter. In diesem neuen Bereich
ist noch kreative Entwicklungsarbeit erforderlich.
2.3 M+O-Sensoren
Neben bestehenden Sensoren für die Kernautomatisierung
gibt NOA Raum für weitere Sensoren, um zusätzliche Infor- 3. Demonstratoren
mation aus den Anlagen zu extrahieren. Solche Sensoren Die Implementierung von NOA ist als iterativer Ansatz zu
werden typischerweise bei nicht-invasiven Messprinzipien, verstehen. Um die Entwicklung agil und praxisnah zu be-
wie Vibrationsmessungen, Verbreitung finden und können gleiten, wurden im Rahmen der Arbeiten im Namur-AK 2.8
weitestgehend als IoT (Internet of Things) oder IIoT (Indus- in Zusammenarbeit mit der Technischen Hochschule Ingol-
trial Internet of Things) Devices verstanden werden. We- stadt, TU Dresden, RWTH Aachen und der Otto-von-Gueri-
sentlich sind hier eine einfache und flexible Integration, ein cke-Universität Magdeburg erste Demonstratoren erstellt.
aufwandreduziertes Engineering sowie ein entsprechendes Die Demonstratoren sollen die Machbarkeit des NOA-Kon-
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Macher und Meinung
Ralf Küper
Business Manager Plantweb, Emerson Automation Solutions
Unter Industrie 4.0 versteht man die weitestgehend Emerson Automation Solutions hat NOA in ein prakti-
selbstorganisierte Produktion von Menschen, Maschi- sches Konzept umgesetzt, das ein paralleles System
nen und Anlagen, bei der auch die Logistik und Pro- zur Automatisierungspyramide darstellt. Es wurde für
dukte miteinander kommunizieren und kooperieren. die Zustandsüberwachung, Sicherheit- und Energie-
erfassung von Produktionsanlagen entwickelt, um die
Doch was bedeutet Industrie 4.0 für die Prozessindus- Effizienz der Produktion zu steigern sowie ungeplante
trie? Anlagenreduktionen oder gar Stillstände zu vermei-
den.
Am Anfang von Industrie 4.0 hieß es, dass alles mit-
einander vernetzt werden würde. Der Sensor spräche
direkt mit dem ERP-System und der Cloud, das Leitsys-
tem würde zum einfachen Teilnehmer dieses vernetz-
ten Systems.
Wie ist die Sicherheit dieses eng vernetzten Systems
noch zu gewährleiten?
Durch NAMUR Open Architecture wird die Struktur der
Jahrzehnte lang entwickelten Automatisierungspyra-
mide mit den Level 0 bis Level 4 und all ihren Sicher-
heits- und Schutzfunktionen gewahrt. Zusatzapplika-
tionen wie z. B. das Monitoring von Assets oder die
Energiedatenerfassung werden in einem Parallelsys-
tem betrieben, das nur über Daten-Dioden und damit
sicher Informationen mit der Automatisierungspyra-
mide austauscht.
zeptes auf Basis heutiger Technologie und verfügbarer Stan- rung gehören. Der FDI-Server exportiert die Daten über eine
dards zeigen. Erste Demonstratoren wurden im Rahmen für NOA definierte OPC-UA-Schnittstelle in zwei verschiedene
der Namur-Hauptsitzung 2016 vorgestellt und in der atp Clouds. Auf der Microsoft-Cloud Azure überwacht eine Ap-
edition 1/2-2017 beschrieben. Die jetzigen Demonstrato- plikation die Schwingung eines Coriolis-Durchflussmessers
ren wurden auf einem Workshop der NAMUR-Hauptsitzung und erstellt ggf. Warnhinweise und Gegenmaßnahmen. Auf
2017 vorgestellt. Sie werden in eigenen Beiträgen in diesem einer zweiten Cloud wird mit dem Technologiebaukasten
Heft detailliert vorgestellt, ihre Kernidee soll aber in diesem NetKit der 247FactoryNet gmbH ein (fiktiver) Wärmetauscher
Übersichtsbeitrag skizziert werden. Abbildung 2 stellt die und eine geregelte Pumpe überwacht.
Informationsflüsse der Demonstratoren 3.1 und 3.2 dar. Die
Demonstratoren 3.3 und 3.4 verwenden die gleichen Daten-
flüsse und haben ihren Schwerpunkt in der Anwendung und 3.2 “Verification of Request” im Prozessleit-
Verarbeitung der Daten. system (TU Dresden)
Kern dieses Demonstrators ist der in Abschnitt 2.4 darge-
stellte kontrollierte Datenfluss aus der M+O-Welt zurück in
3.1 Von Feldgeräten in die Cloud (TH Ingolstadt) die Kern-Automatisierung. Aus M+O kommen Vorschläge, die
Dieser Demonstrator realisiert den in Abschnitt 2.1 darge- vom Anlagenfahrer validiert werden müssen, bevor sie über
stellten Datenfluss aus dem Kern-Automatisierungssystem in die Steuerung an das Feldgerät weitergegeben werden. Im
die M+O-Welt. Die Feldgeräte kommunizieren über PROFINET Beispiel wird ein Ventil von Samson über den in Abschnitt 2.2
oder über HART mit einem FDI-Server. Dieser könnte Bestand- beschriebenen „Zweiten Kommunikationskanal“ mit einer
teil von Remote-I/O-Systemen oder Speicherprogrammierba- in Node.js realisierten Cloud verbunden. Dort läuft ein Ven-
ren Steuerungen werden, also zur Basis-Prozessautomatisie- tilmonitor, der neue, optimierte Sollwerte für das Ventil er-
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Macher und Meinung
Axel Lorenz
Leiter Process Automation, Siemens AG
Im Zuge der Digitalisierung der Industrie spielt die z. B. wie wir eine gesicherte Konnektivität zu den in
intelligente Verarbeitung der enormen Datenmengen den Produktionsanlagen gängigen Kommunikations-
von Produktionsanlagen der Prozessindustrie eine technologien herstellen. Die Daten werden dabei nach
Schlüsselrolle. Eine Herausforderung liegt darin, die dem NOA-Informationsmodell abgebildet.
Daten bestehender Sensoren der Kernautomatisierung
sowie zusätzlicher IoT-Sensoren (z. B. Vibration)
komplett rückwirkungsfrei und ohne Kompromisse
auf Anlagensicherheit und -verfügbarkeit für eine
Datenanalyse bereitzustellen. Die „NAMUR Open
Architecture (NOA)“ beschreibt dafür die Anforderungen
bezüglich Konnektivität und definiert ein zukünftiges
standardisiertes Informationsmodell.
Das NOA-Konzept ist für Siemens von zentraler Bedeu-
tung, weil dadurch der volle Zugang zu allen relevanten
Daten der Anlage ermöglicht wird. Damit bietet es eine
offene Grundarchitektur für die Digitalisierung in der
Prozessindustrie. Unser Ziel ist es, das NOA-Konzept
gemeinsam mit Anwendern agil weiterzuentwickeln
und so bestehende Automatisierungsstrukturen in das
digitale Zeitalter zu führen. Erste Lösungsansätze dafür
werden wir 2018 auf Messen wie der ACHEMA zeigen,
mittelt. Diese gehen per OPC-UA über eine gesicherte Verbin- den Server gespeichert und verarbeitet werden.
dung zum Prozessleitsystem von Yokogawa und starten dort
einen Bedienerdialog. Wenn der Operator die Sollwertände-
rung akzeptiert, wird sie durch die Kern-Automatisierungs- 3.4 Plug-&-Produce für Feldgeräte (RWTH Aachen)
systeme und HART an den Positionsregler weitergegeben. Dieser Demonstrator zeigt, dass das auch NOA-Konzept
Plug&Produce ermöglichen kannn. Das Feldgerät hat
zwei Schnittstellen: Eine 4-20mA / HART-Schnittstelle zum
3.3 Vergleich von Planungs- mit Gerätedaten Remote-I/O-System und einen über WLAN und OPC-UA re-
(OvGU Magdeburg) alisierten zweiten Kommunikationskanal zu einem M+O-
Dieser Demonstrator zeigt an einem Beispiel, dass NOA neue Server. Auf diesem Server ist ein „Plug&Produce-Mana-
digitale Dienste ermöglicht. Die Geräteparameter der Feldgerä- ger“ implementiert, der die Daten in Verwaltungsschalen
te werden über PROFIBUS PA von einem OPC-UA-Server ausge- abbildet. Das Remote I/O-System enthält einen Kanalkon-
lesen und in eine „Verwaltungsschale“ geschrieben. Der Begriff nektor für die HART-Kommunikation mit dem Feldge-
„Verwaltungsschale“ stammt aus der Industrie 4.0-Welt. Sie ist rät und einen Kanalmanager. Ein neues Gerät wird vom
das virtuelle Abbild der Objekte, also hier der Ventile, und ent- Kanalmanager erkannt, Typ und Geräte-ID werden vom
hält die Beschreibung von deren Merkmalen, Daten und Funk- Kanalkonnektor ausgelesen und an den Plug&Produce-
tionen. Diese Daten können dann über ein Vergleichswerkzeug Manager gemeldet. Dieser fragt über den zweiten Kom-
mit den Planungsdaten aus dem (in diesem Demonstrator fik- munikationskanal in Ist-Konfigurationszustand ab. Wenn
tiven) Engineeringsystem verglichen werden. Wenn die Daten er vom Soll-Konfigurationszustand abweicht, also eine
mit einer standardisierten Semantik vorliegen, erfordert der Parameteränderung des Geräts erforderlich ist, erfolgt
Vergleich keine gerätespezifische Konfigurierung mehr. Statt diese nach Freigabe durch den Operator über die HART-
die Daten einzeln abzuholen, können sie in einem aggregieren- Schnittstelle.
12Macher und Meinung
4. Die nächsten Schritte ausreichend - dann läuft die Verbindung in die M+O-Welt vom
An den Demonstratoren wird deutlich: Das in Abbildung 1 Remote-I/O-System aus. Wer aber Feldgeräte mit eine 4-20mA-
so locker hingemalte Konzept nimmt Form an. Viele Betei- Kommunikation hat oder Remote-I/Os, die die Gerätekommu-
ligte arbeiten inzwischen mit: NAMUR-Mitgliedsunterneh- nikation nicht weiterverarbeiten können, kommt man um einen
men, Hochschulen, Anbieter von PLT-Geräten und -Syste- „zweiten Kommunikationskanal“ des Feldgeräts nicht herum.
men und IT-Unternehmen. Und erste Schritte sind recht Eine Möglichkeit wäre aktuell eine WLAN-Schnittstelle mit OPC-
kurzfristig realisierbar: Natürlich kostet der Weg vom De- UA direkt am Gerät. Allerdings muss dann das Gerät auch die
monstrator zur integrierten Funktionalität Zeit, aber es ist Rückwirkungsfreiheit im Sinne von Abschnitt 2.2 erfüllen. An-
kein „Showstopper“ erkennbar. In diesem Abschnitt wer- gesichts der aktuell laufenden Arbeiten am „Advanced Physical
den einige weitere Aufgabenpakete beschrieben Layer (APL)“ wird eine weitere Möglichkeit dazu komen, eine
Zweidrahtleitung für alle benötigten Daten zu nutzen.
Feldgeräte
Remote I/O-Systeme, Steuerungen
Wenn Feldgeräte an ein im eben beschrieben Sinn „intelligen-
tes“ Remote I/O-System oder Steuerung angeschlossen sind, Der Demonstratoren setzen neue Funktionalitäten der Re-
ist eine Feldbusschnittstelle oder sogar 4-20mA mit HART völlig mote-I/O-Systeme und Steuerungen voraus wie z.B. eine
Thoralf Schulz
Globaler Technologiemanager der ABB-Business Unit Control Technologies
Mit der Open Architecture will die NAMUR bewährte die Anforderungen aus der NE 131 „NAMUR-
und zuverlässige Systemstrukturen erhalten Standardgerät“, insbesondere die NAMUR Core
(Automatisierungspyramide), diese aber durch die Parameter berücksichtigt.
Erweiterung mit offenen Schnittstellen für „Monitoring
and Optimization“ Anwendungen nutzen.
Die Industrie arbeitet auch daran, Ethernet auf
Feldgeräteebene einzuführen. Damit wird es möglich,
ABB hat auf die Anforderungen der NAMUR reagiert OPC-UA-Informationsmodelle direkt in die Feldgeräte
und die Namur Open Architecture (NOA) im Field zu implementieren - eine weitere Anforderung der
Information Manager und dem Leitsystem ABB NAMUR. Feldgeräte werden sich dann nahtlos ohne
Ability System 800xA mit Hilfe der FDI- und OPC UA- zusätzliche Gateways in die NAMUR Open Architecture
Technologien umgesetzt. Der besondere Charme einfügen.
dieser Lösung ist, dass sie auch in Brownfield-Anlagen
eingesetzt werden kann. Vorhandene Leitsysteme
können ohne Rückwirkungen auf die Verfügbarkeit
und Sicherheit der Anlage durch ABB-Field Information
Manager (FIM) ergänzt werden, die installierte Basis
kann so auf die NOA gebracht und neue Potenziale
erschlossen werden. Alle Informationen von
intelligenten Feldgeräten (z. B. HART-Geräten) sind
damit im OPC-UA-Informationsmodell für Monitoring-
und Optimization-Anwendungen z. B. in der ABB Ability
Cloud verfügbar.
Der nächste Schritt - die Ergänzung der
Geräteinformation durch maschinenlesbare Semantik
- bedarf der Standardisierung. ABB unterstützt aktiv die
Erweiterung der OPC-UA- und FDI-Spezifikationen durch
so genannte „Semantic Identifier“ und die Entwicklung
eines einheitlichen OPC-UA-Informationsmodells
für Prozessautomatisierungsgeräte. Dabei werden
13Macher und Meinung
Kommunikationsfähigkeit mit OPC-UA.. Die Industrie-4.0- te wie Schnittstellen, Funktionen usw. bei möglichst vielen Ge-
Community spricht davon, dass die Remote I/Os bzw. Steu- räten und Systemen vorhanden sind. Umgekehrt lohnen sich
erungen ein Edge-Gateway erhalten müssen. Um NOA auch Entwicklungsaufwände für die Anbieter nur, wenn sie die Pro-
in bestehenden Anlagen implementieren zu können, sollten dukte weltweit vermarkten können. Aus diesem Grund sind die
die Hersteller diese Funktionalität auch bei existieren Remo- NAMUR-Arbeitskreise und auch die beteiligten Hochschulen
te I/Os bzw. Steuerungen nachrüsten können. bereits in intensivem Kontakt mit Normungsgremien. Daher
ist auch die Harmonisierung mit anderen Ansätzen wie dem
Offenheit von Prozessleitsystemen Module Type Package MTP und dem Open Process Automation
Forum Ansatz, der einen starken Fokus auf Neuinstallationen
Abbildung 1 hat noch einen Datenpfad, der bisher nicht dis- hat, in Teilen aber auch äußerst kompatibel zu NOA ist, wichtig.
kutiert wurde: Direkt vom PLS in die M+O-Ebene (grüne Ver-
bindung am rechten Rand der Zeichnung). Dann müsste das Wann zieht NOA in die Betriebe ein?
PLS mindestens die oben für Remote I/O-Systeme und Steue-
rungen genannten Funktionen anbieten. Durch Offenheit der Diese Frage ist wohl am schwersten zu beantworten. Das
Engineering-Datenbank könnte auch das im PLS-Customizing hängt stark vom Engagement aller Beteiligten ab. Es können
und im Batch-System versteckte Prozesswissen für M+O-Funk- noch einige Jahre vergehen, bis die benötigten Standards
tionen genutzt werden. Je schneller diese Offenheit angeboten international gelten. Aber es gibt ja bereits die ersten Kom-
wird - auch für bestehende Leitsysteme -, desto geringer ist die ponenten: Steuerungen mit Edge-Gateway-Funktionalität,
Notwendigkeit, Datenflüsse „am PLS vorbei“ zu leiten. FDI-Server, Prototypen für Verwaltungsschalen …. Insofern
wird das Jahr 2019 die ersten vorsichtigen NOA-Implemen-
Verification of Request tierungen in der Prozessindustrie erleben.
Diese Funktionalität muss in die Prozessleitsysteme integ-
riert werden, deshalb sind hier vor allem die PLS-Hersteller Und last, but not least: NOA ist kein Ziel, son-
gefragt. Der Demonstrator von Abschnitt 3.2 mit der manuel- dern ein Enabler
len Freigabe durch den Operator ist nur einer der möglichen Vergessen wir nicht: Das Konzept NOA ist kein Selbstzweck.
Schritte. Man könnte automatische Plausibilitätsprüfungen Hier geht es nicht um eine elegante Technik, um Datenflüsse
vorsehen, die je nach Betriebszustand einfacher oder kom- möglich zu machen. Alles, was die Demonstratoren können,
plexer sein könne. hätte man auch vor 30 Jahren schon machen können. Aber
man hätte dazu jede Schnittstelle einzeln programmieren
Applications auf Server- oder Cloud-Ebene sowie die Anwendungen implementieren und testen müs-
sen. Und die Ergebnisse wären nicht übertragbar gewesen
In den vier Demonstrator-Beschreibungen wurden eine Reihe für andere Feldgeräte, Automatisierungssysteme und Soft-
von Applications genannt, z.B. Geräte-Monitoring und Opti- warepakete. Durch Standards wie OPC-UA und die Verwal-
mierungsrechnungen. Die Vorhersage sei erlaubt: In diesem tungsschalen ist dieses Problem lösbar, und statt teurer
Bereich wird der größte Fortschritt stattfinden, denn hier geht Individuallösungen können global verwendbare Werkzeuge
es um Anwendungen, die direkten und messbaren Nutzen brin- entstehen. Das klassische Projektdreieck mit den Kriterien
gen. Hier ist auch ein globaler Wettbewerb möglich. Durch die Kosten, Qualität und Termin schrumpft somit. Insofern ist
Standards und die Offenheit der unterlagerten Systeme kön- NOA eine Basis, auf der viele Produkte und Anwendungen
nen Applikationen unabhängig von vorhandenen Steuerun- aufbauen können. Ein „Enabler“ eben, wie man neudeutsch
gen, Leitsystemen und IT-Landschaften eingesetzt werden, so sagt, weil „Schlüsseltechnologie“ so altmodisch klingt. Ein
dass hier auch attraktive Geschäftsmodelle zu finden sind. „Enabler“ für bessere Prozessautomatisierung, effizientere
Anlagen, flexiblere Produktion, höhere Produktqualität!
Informationsmodell
Für die Datenflüsse in Abbildung 1 wird neben den stan- Referenzen
dardisierten Kommunikationsprotokollen wie OPC-UA eine [1] Klettner, C., Tauchnitz, T., Epple, U., Nothdurft, L., Died-
gemeinsame Semantik benötigt. Mit welchen Attributen rich, C., Schröder, T., Grossmann, D., Banerjee, S., Krauss, M.,
wie Namen und Einheiten werden Messwerte übertragen, Iatrou, C., Urbas, L. (2017).Namur Open Architecture. atp-
welche Daten benötigt ein „Verification of Request“? Man edition 1-2/2017, S. 20-37
benötigt also ein „NOA-Informationsmodell“, das dann z.B.
in Verwaltungsschalen beschrieben wird. Denn es muss ver- [2] Klettner, C., Krauss, M.. Namur Open Architecture: Die
mieden werden, dass alle Geräte ihre Daten auf unterschied- Namur-Pyramide wird geöffnet für Industrie 4.0. atp-plus
liche Art zur Verfügung stellen. Hier können viele bereits vor- 1/2017, S. 28-33
handene Standards genutzt werden.
[3] Polke, M. (1985). Prozessleittechnik für die Chemie – Sta-
tus und Trend. atp-Sonderheft: NAMUR-Statusbericht 1985
Weltweite Standardisierung „Prozessleittechnik für die chemische Industrie“. München:
NOA kann nur erfolgreich sein, wenn die entwickelten Elemen- Oldenbourg, S. 5-14.
14Macher und Meinung
[4] Tauchnitz, T. (2018). Prozessleittechnik - Begriffe und Dipl.-Ing. Christian Klettner
Strukturen. In: Früh, K.F., Schaudel, D., Urbas, L, Tauchnitz, BASF SE
T.: Handbuch der Prozessautomatisierung. Essen: DIV Deut- 67056 Ludwigshafen
scher Industrieverlag. 6. Auflage, S. 57-71. Tel. +49 621 60-43487
christian.klettner@basf.com
[5] Kagermann, H., Wahlster, W., Helbig, J. (Hrsg). Umset-
zungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie
4.0.acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaf- Dr. Michael Krauss
ten e.V., Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft, 2013 BASF SE
67056 Ludwigshafen
[6] NAMUR-Empfehlung NE 148, „Anforderungen an die Au- Tel. +49 621 60- 46694
tomatisierungstechnik durch die Modularisierung verfah- michael.krauss@basf.com
renstechnsicher Anlagen“. NAMUR-Geschäftsstelle Leverku-
sen, 2013
Dr. Thomas Tauchnitz
[7] Bernshausen, J., Haller, A., Holm, T., Hoernicke, M., Obst, Sanofi-Aventis Deutschland GmbH
M., Ladiges, J.: NAMUR Modul Type Package - Definition. atp 65926 Frankfurt
edition 1-2/2016, S. 72-81 Tel. +49 69/305-4194
thomas.tauchnitz@sanofi.com
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