Die Prozessindustrie steht derzeit vor einer Reihe von Herausforderungen, die ihre Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft erheblich beeinflussen. Ein zentrales Anliegen ist die Reduzierung der Time-to-Market für neue Anlagen. Angesichts des schnellen technologischen Wandels und des intensiven globalen Wettbewerbs ist die Fähigkeit, Produkte schnell zu entwickeln und auf den Markt zu bringen, entscheidend für den Erfolg. Parallel dazu wird eine erhöhte Flexibilität und Skalierbarkeit von Produktionsanlagen angestrebt, um auf Marktveränderungen reagieren zu können. Dies erfordert Anlagen, die sich schnell und kosteneffizient an veränderte Produktionsvolumina und -spezifikationen anpassen lassen.

Ein weiterer Trend ist die Anwendung von IT-Patterns im OT-Bereich (Operational Technology), was eine stärkere Integration von IT (Informationstechnologie) und OT zur Folge hat. Diese Integration verspricht nicht nur neue Fähigkeiten, sondern auch Kostenersparnisse durch Synergieeffekte. Jedoch stellt sie die Industrie vor die Herausforderung, bestehende Systeme und Prozesse entsprechend anzupassen. Diese Herausforderungen verlangen nach Lösungen, die nicht nur technologisch fortschrittlich, sondern auch wirtschaftlich tragfähig sind, um die Effizienz, Produktivität und letztlich die Wettbewerbsfähigkeit in der Prozessindustrie zu steigern.

Vier Firmen – ein Projekt

Unter dem Begriff Industrial Control as a Service (ICaaS) haben sich in 2023 vier Firmen zu einem Entwicklungsprojekt mit dem Ziel einer skalierbaren Automatisierungsplattform zusammengefunden: Copa-Data, Flecs und Software Defined Automation bringen jeweils ihre Automatisierungs-Expertise ein. Boehringer Ingelheim als Anwender steuert den praktischen Anwendungsfall bei und verifiziert, dass die entwickelten Lösungen den realen Anforderungen der Prozessindustrie entsprechen.

Copa-Data steuert mit ihrer IEC 61131 Runtime zenon Logic und der zenon Service Engine zentrale Automatisierungskomponenten bei. Zudem bringen sie ihr webbasiertes HMI (Human-Machine Interface) und das zenon Engineering Studio, welches eine speziell entwickelte IEC 61131 IDE beinhaltet, in das Projekt ein. Flecs ergänzt das Projekt mit seinem Marketplace, der als zentrale Quelle für alle zu virtualisierenden Steuerungskomponenten dient, sowie einem Cloud-Stack, der die Infrastruktur und Steuerung vollständig virtualisiert. Software Defined Automation erweitert das zenon Engineering Studios zu einer Web-basierten IDE (IDEaaS) und DevOps-Funktionen wie Source-Code-Verwaltung und Continuous Deployment. Darüber hinaus ermöglicht der SDA Secure Remote Access eine sichere Verbindung zwischen der virtualisierten Steuerung und dem webbasierten Engineering, was die Brücke zwischen diesen beiden Welten schlägt. Alles zusammen fungiert unter dem Begriff Industrial Control as a Service (ICaaS). Der im Laufe des Jahres 2023 entwickelte erste technischer Proof of Concept, hat sich als funktionstüchtig erwiesen.
 

Die Automatisierungsarchitektur des Pilotprojektes mit dem Anwender Böhringer Ingelheim. In 2024 soll das Projekt noch ausgeweitet werden.

© Copa-Data

An einem Demonstrationsprojekt am KIT – Karlsruher Institut für Technologie – wurden die Remote-IOs der Demo-Maschine über einen geeigneten Router mit der ICaaS-Plattform verbunden. Dies ermöglichte die Ausführung der gesamten Steuerungslogik in der containerisierten COPA-DATA zenon Logic. Die Projektierung erfolgte vollständig in der IDEaaS, dem zenon Engineering Studio von Software Defined Automation. Das demonstrierte Einsparpotenzial ergibt sich somit aus dem Ersatz aller physischen Steuerungen sowie der weit verbreiteten Programmierstationen und deren Wartung. Zudem wurde mit diesem Ansatz aufgezeigt, dass tatsächlich ein erhebliches Potenzial besteht, die Einrichtungszeit einer Automatisierungsplattform für eine neue Anlage von bis zu 12 Monaten auf idealerweise eine bis zwei Wochen zu reduzieren.

Virtualisierte Testumgebungen

Was konkret bringt die virtualisierte Steuerungstechnik, sprich, der Einsatz von ICaaS. Zunächst ermöglicht es schon mal das frühe Testen von Automatisierungssystemen in einer hochgradig automatisierten und virtualisierten Umgebung. Dieser Ansatz transformiert den traditionellen mehrstufigen Prozess – von der Entwicklung bis zur Implementierung im Produktivsystem – durch die Nutzung virtueller Modelle und Simulationen. Der Vorteil liegt in der signifikanten Reduktion von Bedarf an physischer Infrastruktur, was wiederum Kosten und Zeit spart. Entwickler können Software- und Systemaktualisierungen in einer kontrollierten, simulierten Umgebung testen, bevor diese auf die reale Anlage angewandt werden. Dies erhöht nicht nur die Sicherheit, sondern ermöglicht auch eine flexiblere und effizientere Fehlerbehebung und Optimierung. Zusätzlich bietet ICaaS durch die virtualisierte Testumgebung beste Voraussetzungen für den Betrieb eines Digital Twins, der zugrundeliegenden Anlage. Um mögliche Szenarien und Abläufe ohne Einwirkungen auf das Produktivsystem realitätsnah zu testen.

Hybrider Betriebsmodus

Das Konzept von ICaaS schließt den Einsatz physischer Steuerungen nicht aus. Vielmehr unterstützt es einen hybriden Betriebsmodus, in dem sich sowohl reale als auch teilweise virtualisierte Steuerungen parallel nutzen lassen. Dies ist besonders vorteilhaft in Situationen, in denen physische Steuerungssysteme unverzichtbar sind, wie in sicherheitskritischen Anwendungen oder bei Anlagen an entlegenen Standorten. Dafür bietet die zenon Service Engine mit ihren über 300 verschiedenen Treibern sehr gute Voraussetzungen.Dieser hybride Ansatz ermöglicht es, die Vorteile von ICaaS zu nutzen, während gleichzeitig die Integrität und Zuverlässigkeit der physischen Steuerungssysteme gewährleistet bleibt.

Seamless Integration und Deployment

Die Automatisierungsarchitektur des Pilotprojektes mit dem Anwender Böhringer Ingelheim. In 2024 soll das Projekt noch ausgeweitet werden.

© Copa-Data

Ein weiterer technischer Aspekt von ICaaS ist die nahtlose Integration und das Deployment von Systemen. Entwicklungen und Tests, die in der virtualisierten Umgebung durchgeführt werden, können ohne umfangreiche Infrastrukturveränderungen oder wesentliche Modifikationen direkt auf physische Steuerungen übertragen werden. Dieser Prozess ermöglicht eine schnelle und effiziente Inbetriebnahme neuer oder Updates bestehender Anlagen. Die Integration standardisierter Schnittstellen und Protokolle erleichtert die Kommunikation zwischen der virtualisierten und der physischen Umgebung, was wiederum den Wartungs- und Aktualisierungsaufwand minimiert.

Sicherheitsaspekte und Compliance

In einer ICaaS-Lösung ist die Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten und Compliance zentral. Die Virtualisierung bietet die Möglichkeit, Sicherheitsupdates und Compliance-Anforderungen in der Testumgebung auszuführen, bevor sie in der realen Produktionsumgebung implementiert werden. Dies beinhaltet auch die Überprüfung und Anpassung an aktuelle Standards und Gesetze, wie etwa den Cyber Resilience Act. Sicherheitsprotokolle und Datenverschlüsselung in der virtualisierten Umgebung gewährleisten dabei den Schutz sensibler Informationen und die Integrität der Steuerungssysteme.

Optimierte Ressourcennutzung

Die Nutzung von ICaaS erlaubt eine optimierte Ressourcennutzung und bietet hervorragende Skalierbarkeit. Dies ist besonders relevant bei der Erweiterung von Anlagen oder der Integration neuer Technologien. Die virtualisierte Umgebung ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen und Kapazitäten schnell anzupassen, ohne dass physische Hardware ausgetauscht oder erweitert werden muss. Dies unterstützt eine agile und anpassungsfähige Produktionsumgebung, die in der Lage ist, auf wechselnde Anforderungen und Marktbedingungen effizient zu reagieren.

Der Projektstatus

Wie eingangs erwähnt erfolgte ein erster technischer Proof of Concept im Laufe des Jahres 2023. Für 2024 ist eine ambitionierte Erweiterung dieses Konzepts vorgesehen. Diese Erweiterung zielt darauf ab, die Continuous Integration/Continuous Deployment (CI/CD)-Fähigkeiten für Automatisierer durch konsequente Nutzung von aus der IT bekannter Cloud-Technologien weiter auszubauen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Vereinfachung der Prozesse für Automatisierungstechniker, um einen effizienteren und benutzerfreundlicheren Zugang zur Erstellung von ICaaS zu ermöglichen. Im Kontext der Virtualisierung plant Copa-Data, ihre zentralen Komponenten durch zusätzliche Funktionen zu bereichern, um deren Betrieb in der Cloud weiter zu optimieren.

Ergänzend ist auf der Engineering-Ebene die Integration von KI-Algorithmen vorgesehen. Diese sollen Automatisierungstechnikern helfen, bestehenden Quellcode effektiver zu analysieren und neue Softwarekomponenten KI-basiert zu entwickeln. Diese Maßnahmen versprechen eine signifikante Steigerung der Effizienz und Benutzerfreundlichkeit in der Automatisierungsbranche. Im Laufe diesen Jahres sollen weitere Firmen für das Innovationsprojekt gewonnen werden, um die Einsatzfähigkeiten über die Prozessindustrie hinaus unter Beweis zu stellen.