Dass die Bewältigung von Aufgaben verschiedener Interessensgruppen, die an der Einrichtung oder dem Betrieb von Netzwerken beteiligt sind, durch eine nahtlose Kommunikation erleichtert oder sogar erst ermöglicht wird, zeigte schon der zweite Teil dieser SPE-Serie in Ausgabe 5. Hierzu zählen Aufgaben aus den Bereichen Konstruktion und Installation, Netzwerkadministration und Programmierung, sowie dem Betrieb und der Optimierung von Anwendungen.

Eine nahtlose Kommunikation basiert auf einer durchgängigen Implementierung von Technologien über die Schichten des ISO/OSI-Modelles von der physikalischen Schicht bis zur Anwendungsschicht. Insofern müssen bei der Bewertung des Nutzens von SPE beziehungsweise von Ethernet im Allgemeinen begleitende Technologien betrachtet werden. Der »Technologie-Stack«, also die Kombination dieser Technologien, entfaltet besonders dann großes Potenzial, wenn er von vielen Marktteilnehmern akzeptiert wird, was üblicherweise der Fall ist, sobald die enthaltenen Technologien von Konsortien, Nutzergruppen oder Verbänden standardisiert oder bei der IEC international normiert sind. Die folgenden Abschnitte stellen Technologien dar, deren Einsatz in Ergänzung zu SPE angedacht oder zu erwarten ist. Die jeweiligen Nutzen der ergänzenden Technologie werden diskutiert und wiederum den Interessensgruppen zugeordnet.

IEC/IEEE 60802, IEEE 802.1DG und IEEE 802.1DP

Der Übergang von Feldbussystemen zur Ethernet-Technologie, unter Berücksichtigung des IEC/IEEE 60802 Profils für industrielle Netzwerke, des IEEE 802.1DG Profils für Automotive, oder des IEEE 802.1DP Profils für Aviation, bietet insbesondere für die Interessensgruppe der Netzwerk-Administratoren signifikante Vorteile. Hierbei ist die genaue Ausprägung des physikalischen Übertragungsstandards basierend auf Ethernet-Technologie, also Single-Pair Ethernet, Multi-Pair Ethernet oder Glasfaser-basiertes Ethernet zweitrangig, da alle mit dem gleichen Baukasten an IEEE 802.1-Standards verknüpfbar sind. Die Netzwerkadministratoren sind verantwortlich für die Aufrechterhaltung der Netzwerksicherheit, -verfügbarkeit und Übertragungsleistung. Für industrielle Netzwerke werden diese Aufgaben durch die Implementierung von Ethernet und die Einhaltung des IEC/IEEE 60802-Profils erheblich erleichtert. Diese Norm integriert spezifische Mechanismen für Qualitätssicherung (QoS) und Sicherheit, die für den Betrieb moderner industrieller Netzwerke unerlässlich sind.

In einem automatisierten Fertigungsbetrieb, der bislang auf traditionelle Feldbussysteme setzt, stößt der Netzwerkadministrator häufig auf Herausforderungen in Bezug auf die Datenübertragungsrate und die Integration neuer Geräte. Mit der Umstellung auf SPE kann der Administrator von den erweiterten Funktionen des IEC/IEEE 60802-Profils profitieren, einschließlich verbesserter Sicherheitsprotokolle wie 802.1X für die Authentifizierung und der Möglichkeit, Datenverkehr durch QoS zu priorisieren. Dies gewährleistet, dass kritische Steuerungsinformationen Vorrang vor weniger dringendem Datenverkehr erhalten, wodurch die Effizienz und Zuverlässigkeit der Anlage gesteigert wird. Durch die höhere Bandbreite und Reichweite von SPE im Vergleich zu traditionellen Feldbussen kann der Administrator zudem ein umfassenderes Netzwerk mit einer größeren Anzahl von Endgeräten effizient verwalten, was die Skalierbarkeit und Flexibilität des Systems erhöht.

Für alle netzwerkfähigen Geräte erfordert die Konformität zu einem Profil, dass weitere Mechanismen und Funktionen implementiert werden müssen, die bisher für Feldbusumgebungen nicht definiert waren. Vor allem für Geräte mit starken Ressourcenlimitierungen kann dies Herausforderungen mit sich bringen. Derzeit sind jedoch für keines der Profile Konformitätsprüfungen verfügbar. Somit ist die Interoperabilität von aktuellen Produkten nicht gewährleistet und folglich ist eine Produktentwicklung faktisch nicht möglich.

OPC UA und UAFX

Die Kombination von SPE mit UAFX bietet für alle prozessorientierten Personas erhebliche Vorteile. OPC UA und UAFX standardisieren die horizontale und vertikale Kommunikation und definieren darüber hinaus eine einheitliche Semantik von Daten, was für die Aufgaben von Applikationsingenieuren in der initialen Konfiguration, Betreibern in der Prozessüberwachung und Data Scientists in der Datenanalyse von entscheidender Bedeutung ist.
 

Bild 1. Im zweiten Teil dieser Serie wurden die Vorteile von SPE, die sich für verschiedene Rollen aufgrund der fünf Merkmale aus dem Spinnennetzdiagramm ergeben, dargestellt. Entsprechend können die Ziele der Standardisierungs- und Normierungsarbeiten mit den Interessen der verschiedenen Rollen verknüpft werden.

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Beispielsweise ist in der Prozessindustrie eine präzise und zeitnahe Datenanalyse für die Optimierung der Produktion und die Früherkennung von Anomalien unerlässlich. Die Umstellung auf SPE ermöglicht eine zuverlässige und schnelle Übertragung großer Datenmengen direkt von den Produktionslinien in Analyse- und Prognosesysteme. Die Integration von OPC UA und UAFX sorgt für eine standardisierte und interoperable Datenerfassung und -übermittlung, wodurch der Data Scientist in der Lage ist, effizient auf eine konsistente und umfassende Datenbasis zuzugreifen. Dies verbessert nicht nur die Qualität und Aussagekraft der Datenanalyse, sondern erleichtert auch die Implementierung von vorausschauende Instandhaltungsstrategien, indem Maschinendaten in Quasi-Echtzeit analysiert werden, um mögliche Ausfälle vorherzusagen und prädiktive Wartungsmaßnahmen einzuleiten. Durch die hohe Bandbreite und die geringe Latenz von SPE in Kombination mit der durch OPC UA und UAFX gewährleisteten Datenkonsistenz und -sicherheit, kann der Data Scientist effektiver zur Steigerung der Anlageneffizienz und zur Reduzierung von Ausfallzeiten beitragen.

Die aktuelle Version von UAFX beinhaltet bisher nur die »Controller-to-Controller«-Kommunikation, um Steuerungen herstellerunabhängig miteinander zu verbinden. Die Einbindung von Sensoren und Aktuatoren via UAFX in Steuerungsprozesse ist Gegenstand eines aktuellen Standardisierungsprojektes, so dass hierfür noch keine Implementierung über den Prototypenstatus hinaus möglich ist.

Offene Architekturen

Namur, ein internationaler Verband von Anwenderunternehmen, der die Interessen der Prozessindustrie auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik vertritt, und das Open Process Automation Forum (OPAF), ein internationales Konsortium von Anwendern und Zulieferern, zielen mit ihren Standards Namur Open Architecture (NOA) und O-PAS darauf ab, offene, sichere und interoperable Systeme in der Prozessindustrie zu fördern, um eine flexiblere und effizientere Produktionsumgebung zu schaffen.

Der Einsatz der Kombination aus SPE, in der Prozessindustrie unter dem Namen APL (Advanced Physical Layer) bekannt, und OPC UA FX wird in dieser Hinsicht als sehr geeignet gesehen, da sie eine robuste, standardisierte Kommunikationsinfrastruktur für die Automatisierungstechnik bereitstellt. Diese Technologien ermöglichen eine nahtlose Integration verschiedener Geräte und Systeme, verbessern die Datentransparenz und unterstützen fortschrittliche Analyse- und Steuerungsfunktionen. Zudem erwartet die Namur durch die Bandbreitenerhöhung zusätzlich zum eigentlichen Messwert, Zugang zu weiteren Prozess- und Gerätezustandsdaten, sogenannten Vitalitätsdaten, zu erhalten. Diese werden dann mit Hilfe des PA-DIM (Prozess Automation-Data Information Model) standardisiert und der IT in der Cloud zur Verfügung gestellt.

Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz können Prozesse optimiert und durch  vorausschauende Instandhaltung die Verfügbarkeit der Anlage unter Berücksichtigung der Kosten und somit die Produktivität erhöht werden. Es ist vorgesehen, dass ein Sensor selbstständig – im Sinne einer ereignisbasierten Implementierung – Abweichungen seines Vitalzustandes meldet. Die standardisierten Informationsmodelle ermöglichen hierbei eine herstellerunabhängige und automatisierte Eigenparametrierung und -konfiguration der Sensoren, welche wiederum automatisiert ihre Identifikationsdaten zur Verfügung stellen. Um den steigenden Herausforderungen an Datensicherheit gerecht zu werden, wird künftig eine sichere Daten-identität der Geräte gefordert werden. Weitere Mechanismen für die Authentifizierung und sichere Datenübertragung werden ebenfalls eingesetzt, um  künftigen Anforderungen an Datensicherheit Rechnung zu tragen.