Obwohl alle Industriebranchen den mit dem Begriff Industrie 4.0 skizzierten Idealzustand noch ein gutes Stück entfernt sehen, lässt sich vor allem in Industrien, die sich mit verbrauchernahen Produkten, Lösungen und Dienstleistungen befassen, eine schnellere Umsetzung von Digitalisierungsstrategien erkennen. Dies liegt zum einen da-ran, dass verbrauchernahe Produkte in der Regel eine stärker kundenorientierte Individualisierung erfordern. Zum anderen ist die Gefährdung von Mensch und Umwelt, die von diesen Fertigungsbetrieben ausgeht, häufig um Größenordnungen geringer als die Risiken, die zum Beispiel beim Betrieb chemischer Großanlagen abzusichern sind. Und last but not least unterliegen verbrauchernahe Produkte und Dienstleistungen einem höheren Veränderungsdruck – die Produktlebenszyklen sind deutlich kürzer.

Was bedeutet das aber für die Prozess-automation beziehungsweise Prozesssensorik, soweit diese in Großanlagen wie etwa in chemischen Betrieben oder im Umfeld der Öl- und Gas-Industrien in-stalliert ist? Vertreter der NAMUR – als internationaler Verband der Anwender von Automatisierungstechnik der Prozessindustrie – machen dazu eine klare Aussage: Die eigentliche Prozessautomation, die den sicheren und effizienten Betrieb der Anlagen gewährleistet, soll nicht leichtfertig verändert werden. Betriebsbewährung und technische Eignung für den Betrieb in der rauen Wirklichkeit der Prozessanlage sind demnach unverzichtbare Bestandteile der Prozessautomation.
 

Prozessautomation nicht leichtfertig verändern!

Gleichzeitig ist zu beachten, dass viele neue Automatisierungskonzepte die eigentliche Prozessregelung nicht ersetzen, sondern vielmehr ergänzen. Diese Ergänzungen beziehen sich häufig auf Monitoring-, ­Dokumentations- und Analyse-Auf­gaben, deren Anforderungen an Robustheit und Verfügbarkeit vergleichsweise niedrig sind. Insofern plädierten auf der NAMUR-Hauptversammlung Ende 2016 Dr. Thomas Tauchnitz (Firma Sanofi) und Christian Klettner (Firma BASF) dafür, Prozessauto­mation zunächst nicht vollständig nach der Referenzarchitektur für Industrie 4.0 – RAMI 4.0 – auszurichten, sondern lediglich die historische Architektur der Automatisierungs-pyra­mide durch eine digitale Parallelstruktur zu ergänzen – bei genauer Betrachtung also ein Sonderfall der Referenzarchitektur?

Die Struktur der Verwaltungsschale sowie die ursprüng­liche und die zusätz­liche performante digitale Schnittstelle. Die zusätzliche Schnittstelle kann zunächst als echte zusätzliche physi­kalische Schnittstelle realisiert werden.

© Pepperl+Fuchs

Andere NAMUR-Vertreter haben diesen Gedanken aufgegriffen und schlagen eine Implementierung der im Ergebnispapier der Plattform Industrie 4.0 (BMWi 2016) beschriebenen Verwaltungsschale vor, die diesem Gedanken Rechnung trägt. Demnach wird in jedem Feldgerät – vor allem den Prozesssensoren – ein OPC/UA-Server implementiert, der mit einem in der extern ‚gehosteten‘ Verwaltungsschale implementierten OPC/UA-Client alle Parametrier- und Diagnose-Daten während des gesamten Betriebs des Feldgerätes austauscht. Das Feldgerät erhält dazu eine weitere digitale drahtlose oder drahtgeführte performante Schnittstelle. Über diese parallele Infrastruktur werden sämtliche zusätzlichen neuen digitalen Anwendungen versorgt. Gleichzeitig bleibt die ursprüngliche Schnittstelle zum Leitsystem unverändert. Die zusätzliche Schnittstelle kann zunächst als echte weitere physikalische Schnittstelle realisiert werden. Wireless-HART beispielsweise ist eine heute verfügbare Lösung.

Drahtlose Datenübertragung

Zusätzlich zur vorhandenen 4- bis 20-mA-Schnittstelle, die die Verbindung mit dem Leitsystem darstellt, wird nachträglich ein Wireless-HART-Adapter am Gerät ergänzt. Die drahtlose Übertragung der HART-Daten erlaubt eine Erfassung aller Parameter- und Diagnose-Informationen des Feldgerätes entlang dem Lebenszyklus. Die bereits heute installierten HART-fähigen 4- bis 20-mA-Feldgeräte lassen sich so zwar einfach um eine digitale Schnittstelle erweitern, die Umsetzung auf OPC/UA muss dann allerdings in der Verwaltungsschale erfolgen.

Durch einen nachträglich integrierten Wireless-HART-­Adapter lassen sich alle Parameter- und Diagnose-­Informationen des Feldgerätes entlang dem Lebens­zyklus erfassen und drahtlos übertragen.

© Pepperl+Fuchs

In vergleichbarer Weise lassen sich  Sensoren und Aktuatoren, die mit einer I/O-Link-Schnittstelle ausgestattet sind, zum Beispiel über ‚SmartBridge‘-Adapter von Pepperl+Fuchs, mit einer zusätzlichen digitalen Schnittstelle ausstatten. In diese Adapter kann gegebenenfalls ein OPC/UA-Server eingebettet werden.

Nachteilig bleibt, dass diese zweite Schnittstelle sowie die damit verbundene Infrastruktur weitere Investitionen und zusätzliches Engineering bedeuten. Es gilt, diese Mehrkosten entweder durch zusätzliche Effizienz- und Produktivitätsgewinne zu amortisieren oder gar ganz neue Geschäftsprozesse – mit entsprechendem Ertragspotenzial – überhaupt erst zu ermöglichen. Deshalb werden vermutlich Wireless-HART oder ‚SmartBridge‘ wohl eher Brückentechnologien bleiben, die nur punktuell oder zumindest nicht flächendeckend Anwendung finden.

Folgerichtig wird das Modell der Verwaltungsschale als Feldgeräte-Datenmanager für Anwendungen außerhalb der klassischen Automatisierungspyramide dann für breite Anwendungen interessant, wenn die kommende Feldgeräte-Generation über eine einzige physikalisch implementierte hochperformante Schnittstelle verfügt, die sowohl das Leitsystem als auch die neuen digitalen Anwendungen mit Daten versorgt. 
 

Die virtuelle Schnittstelle

Die zweite Schnittstelle wird also lediglich als logische, virtuelle Schnittstelle ausgeführt. Es liegt somit nahe, zukünftige Feldgeräte nur noch mit einer IP-Schnittstelle auszustatten und sowohl die echtzeitfähige Regelung und Prozessüberwachung als auch neue digitale Anwendungen und unterschiedliche Dienste über einen OPC/UA-Server darzustellen. Eine Herstellergruppe, zu der auch Pepperl+Fuchs gehört, hat deshalb die Entwicklung einer IEEE-genormten IP-Kommunikations-Physik (APL) in Angriff genommen, die vor allem die Anforderungen der Prozessautomation berücksichtigt. Gemeinsam mit der eigensicheren elektrischen Energieversorgung soll die IP-Kommunikation über nur zwei Adern über bis zu 1000 m Kabellänge ermöglicht werden. Dabei werden die Anforderungen des Positionspapiers „An Ethernet communication system for the process industry“ der NAMUR vom Februar 2016 vollständig berücksichtigt. Mit ersten Implementierungen wird im Moment nicht vor 2018 gerechnet. 

Es ist sicher keine allzu  kühne Vision, davon auszugehen, dass künftig alle Feldgeräte über eine solche IP-Schnittstelle direkt mit dem ‚Industrial Internet of Things‘ verbunden werden. Die Automatisierungspyramide wird dann vollständig in der Referenzar­chitektur RAMI 4.0 abgebildet. Leitsystem, speicherprogrammierbare Steuerungen sowie andere Regel- und Überwachungssysteme lassen sich anschließend ebenfalls in diesen Netzen einbinden und gegebenenfalls neue ­Anwendungen in der ‚Cloud‘ allo­kieren.

Autor: 
Dr. Gunther Kegel ist Vorsitzender der Geschäftsleitung von Pepperl+Fuchs in Mannheim.