PROZESSAUTOMATISIERUNG & DIGITALISIERUNG




 Skalierbar, modular interoperabel und sicher 

O-PAS - Herstellerneutrale Referenzarchitektur

O-PAS, der Weg zur verteilen Anwendung

In der Prozessindustrie werden zahlreiche Aufgaben unter dem Aspekt der Modularisierung immer häufiger teil- oder vollautomatisiert ausgeführt. Viele Hersteller aus dem Bereich Steuerungstechnik, Sensoren und Komponenten verwenden zur Ankopplung an die Automatisierungssysteme Protokolle und Standards, die sich im industriellen Umfeld bewährt haben. Mit dem O-PAS-Standard steht eine neue, herstellerneutrale Referenzarchitektur zur Verfügung, die den Aufbau skalierbarer, modularer, interoperabler und sicherer Prozessautomatisierungssysteme ermöglicht (Aufmacher).

Für eine solche Referenzarchitektur sprechen verschiedene Gründe. Die Neuausrichtung von Unternehmen hinsichtlich ihrer Lieferketten, eine Anpassung des Beschaffungswesens und die fristgerechte Umsetzung von Kundenprojekten sind hier einige Ursachen, die es zu erwähnen gilt. Einen weiteren Faktor stellt die Verschmelzung von IT und OT (Operational Technology) dar, welche die Entwicklung herstellerneutraler und skalierbarer Architekturen maßgeblich beeinflusst. Adaptierbare Serversysteme mit unterschiedlicher Architektur werden mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) verschiedener Hersteller gekoppelt und bilden so ein Kommunikationsnetzwerk, das dezentral agieren kann. 

In der Prozessautomation wird seit einigen Jahren von unterschiedlichen Herstellern der Ansatz einer Modularisierung von Anlagen verfolgt. Die Anwender definieren ihre Anforderungen derart, dass sich bestimmte Teilaufgaben einer Anlage in Module auslagern lassen, die zu einem späteren Zeitpunkt austauschbar und im besten Fall frei kombinierbar sind. Die Herausforderung in einem modularen System ergibt sich jedoch aus den Schnittstellen zwischen den Teilsystemen und einem meist übergeordneten Leitsystem. Sie müssen standardisiert werden und in die Realisierung der Teilmodule einfließen.

Das Architekturbild zeigt die unterschiedlichen Verbindungen von Distributed Control Nodes an das O-PAS Connectivity Framework

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OPC UA als Backbone

Beim Open Process Automation Forum (OPA-F) handelt es sich um einen Zusammenschluss zahlreicher Unternehmen aus verschiedenen Industriebereichen und der IT. Sie haben sich zum Ziel gesetzt, eine dezentrale, verteilte sowie gleichzeitig sichere und effiziente Anwendungsarchitektur zu etablieren. Anhand dieser Architektur lassen sich industrielle Applikationen entwickeln, die aus kleinen Funktionseinheiten zusammengesetzt werden können und somit eine verteilte, dezentrale Anwendung darstellen. Sämtliche Anforderungen an eine solche Applikation sind im Open Process Automation Standard (O-PAS) festgeschrieben. 

O-PAS legt großen Wert auf die Herstellerunabhängigkeit der Architektur, deren Backbone der Kommunikationsstandards OPC UA bildet. OPC UA vereint alle Ansprüche hinsichtlich einer sicheren Verbindung und effizienten Datenübertragung, der Standardisierung von Informationsmodellen, moderner Publikations- und Subscriptions-Mechanismen, des Zertifikats- und Rechtemanagements sowie weiterer wichtigen Aufgaben in industriellen verteilten und modularen Systemen. Die Herstellerunabhängigkeit sorgt für hohe Flexibilität und Austauschbarkeit der verbauten Komponenten. Sämtliche dem Standard entsprechende und zertifizierte Teilnehmer lassen sich miteinander kombinieren und schaffen folglich ein Netzwerk von kommunizierenden Knoten.

Validierung der Ergebnisse in einer realen Applikation

Exxon Mobile gehört zu den führenden Unternehmen der O-PAF. Als treibende Kraft bei der Entwicklung des O-PAF-Standards setzt sich Exxon Mobile dafür ein, den Standard immer weiter voranzubringen. Die Validierung der in den Standard einfließenden Ergebnisse erweist sich als ebenso essenziell wie die Erarbeitung des Standards selbst. Um neben den theoretischen Abhandlungen ebenfalls praktische Erfahrungen sammeln zu können, hat Exxon Mobile den Aufbau einer realen Applikation initiiert, an der sich der Standard validieren und erproben lässt. Phoenix Contact war von Anfang an der Erstellung der Testapplikation beteiligt. 

Durch die Nutzung der offenen Steuerungsplattform PLCnext Technology bildeten sich sofort Synergien zwischen den Komponenten von Exxon Mobile, Yokogawa und Phoenix Contact. Yokogawa nahm dabei die Rolle des Systemintegrators ein. In dieser Konstellation designten und entwickelten die drei Unternehmen eine erste Version einer Testapplikation, die eine O-PAS IO Service Engine und eine Functionblock Execution Engine auf einem Gerät als Distributed Control Node (DCN) ausprägten. Dazu wurde eine PLCnext-Steuerung AXC F 3152 von Phoenix Contact verwendet. Dies war eine erste Kooperation unterschiedlicher in der Prozessindustrie tätiger Unternehmen mit jeweils verschiedenen Schwerpunkten, die ihre individuellen Stärken in einer Applikation bündelten.

Das OPC-UA-Informationsmodell für O-PAS stellt die Knoten für analoge und diskrete Daten sowie die Referenz zu Aliasnamen zur Verfügung

Integration in offene Steuerungsplattform

Für den AXC F 3152 als offene PLCnext-Steuerungsplattform sprachen seine vielseitige Einsetzbarkeit und Leistungsfähigkeit sowie die Möglichkeit, unterschiedliche Technologien in einer SPS zu vereinen. Zum Aufbau des Distributed Control Nodes (DCN) für den beschriebenen Praxistest wurden drei Teile der einzelnen Hersteller kombiniert. Zunächst erfolgte die Installation der ersten Teilkomponente, der IO Service Engine. Sie fungiert als Interface für alle Teilnehmer innerhalb eines O-PAS-Systems. Die IO Service Engine interagiert direkt mit dem lokal angeschlossenen Bussystem, an das verschiedene Sensoren und Aktoren angebunden werden, deren Ein- und Ausgangsprozessdaten sich lesen oder schreiben lassen. Die Repräsentation der Eingangs- und Ausgangsprozessdaten wird über ein eigenes OPC-UA-Informationsmodell abgebildet, das gemäß O-PAS standardisierte Knoten und Datentypen nutzt. 

Im zweiten Integrationsschritt sah die Testapplikation eine gemäß IEC 61499 entwickelte Functionblock Execution Engine vor. Sie dient als Kalkulationslogik für das gesamte System, die ihre Ergebnisse ebenfalls über ein OPC-UA-Informationsmodell propagiert. Als letzte Komponenten findet ein Redfish Server in der Testapplikation von Exxon Mobile Anwendung. Er wurde ursprünglich als Monitoring-Werkzeug in Rechenzentren eingesetzt, um standardisierte Abfragen von Systemparametern wie CPU-Auslastung, Systemtemperatur oder IO-Durchfluss durchzuführen. Phoenix Contact hat den Standard adaptiert und auf die Steuerungsplattform PLCnext Technology gebracht, wo er auch systemrelevante Informationen bereitstellt. Als Beispiel sei die CPU und Speicherauslastung genannt. Über den Redfish Server lassen sich ebenso Firmwarestände, Controllerfamilien und Hersteller sowie die Parametrierung der angekoppelten IO-Module auslesen. Sämtliche Informationen sind über eine REST-Schnittstelle abrufbar, sodass eine Orchestrierungssoftware oder andere Drittapplikationen die Informationen der Steuerung jederzeit verarbeiten können.

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Leistungsfähigkeit und Kombinierbarkeit

Zusammenfassend gibt die Testapplikation von Exxon Mobile einen ersten Überblick über die Leistungsfähigkeit und Kombinierbarkeit von herstellerunabhängigen O-PAS-Komponenten, die sich innerhalb einer Applikation flexibel verwenden und verknüpfen lassen.

Das offene Ecosystem PLCnext Technology setzt sich aus der offenen Hardware PLCnext Control, der modularen Engineering-Umgebung PLCnext Engineer sowie einer globalen Community PLCnext Community und dem digitalen Softwaremarktplatz PLCnext Store zusammen

Zeit- und Kostenersparnis durch den PLCnext Store 

Bei PLCnext Technology handelt es sich um das Ökosystem für die industrielle Automatisierung, bestehend aus offener Hardware, modularer Engineering-Software sowie einer globalen Community und einem digitalen Softwaremarktplatz. Digitalisierung und Globalisierung stellen neue Anforderungen an die industrielle Automatisierung. Ein passgenaues Design des offenen Automatisierungssystems erweist sich dabei als genauso wichtig wie eine flexible, modulare Erweiterung. 

 

Neben der SPS-Standardprogrammierung nach IEC 61131-3 erlaubt PLCnext Technology auch die parallele Programmierung sowie die Kombination von Programmiersprachen wie C/C++, C# oder Matlab Simulink in Echtzeit. Durch die einfache Cloudintegration, die Möglichkeit der Nutzung von Open-Source-Software und das ständig wachsende Know-how der PLCnext Community profitieren Anwender von neuen Formen der Zusammenarbeit. Die daraus resultierenden Solutions-Apps, Softwarebausteine, Runtime-Systeme und Funktionserweiterungen sind im PLCnext Store verfügbar und sorgen für eine deutliche Zeit- und Kostenersparnis bei der Applikationserstellung. Damit zeigt sich PLCnext Technology als das optimale Ökosystem für die Herausforderung der modernen Automatisierung.

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Autoren


​Dipl.-Inform. (FH) Peer Michael Gaus und Andrew Vanderpool

​Application Engineers Industry Management Process, 
Phoenix Contact Electronics 


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