Effiziente Digitalisierung OT-IT-Integration in der Prozessindustrie

Die digitale I4.0-Prozessanlage ist nur noch einen Schritt entfernt. Das NOA-Konzept hat überzeugt und wird die Grundlage bilden. Daten für das Monitoring und die Prozessoptimierung können auf einem zweiten Datenkanal von der Produktion, also der Operational Technology (OT), auf die IT-Ebene übertragen werden – rückwirkungsfrei, ohne die Kernautomatisierung zu beeinflussen. So scheint endlich auch in der Prozessindustrie das „Füttern“ gewinnversprechender Industrie-4.0-Anwendungen möglich, die auf unterschiedliche Weise den Datenschatz verarbeiten und einen Gewinn an Effizienz oder Sicherheit versprechen.

Eigentlich könnte man sofort damit beginnen, denn an Daten fehlt es nicht. Seit mehreren Jahrzehnten werden in der Prozessindustrie Sensoren und Aktoren eingesetzt, die das Prädikat „intelligent“ tragen. Neben dem eigentlichen Messwert stellen sie Informationen bereit, die Aussagen über ihre fehlerfreie Funktion, bald fällige Instandhaltungsmaßnahmen oder Optimierungspotenziale des Prozesses zulassen. Tatsächlich werden diese Möglichkeiten in etlichen Anlagen bereits genutzt. Von der systematischen Analyse aller zur Verfügung stehender Daten sind die meisten Anlagenbetreiber jedoch weit entfernt.

Nutzung durch alle Analyse- und Optimierungstools

Daten können dank intelligenter Sensoren und Aktoren in deutlich größerem Umfang als bisher gewonnen und fundierter analysiert werden – und das bei geringerem Aufwand. Was dazu bislang fehlte, ist eine einfache Möglichkeit der OT-IT-Integration, um für den Datenfluss vom Feld auf die IT-Ebene auf eine Namur-Open-Architecture-(NOA)-konforme Weise zu sorgen. Liegen die Daten auf einer Plattform vor, können sie von jeglichen Analyse- und Optimierungswerkzeugen verwendet werden – insbesondere von Tools, die anders als betriebswirtschaftliche Programme tatsächlich für Prozessingenieure, für die Analyse von Prozessdaten kreiert wurden.

Dies klingt zunächst relativ einfach, doch die Aufgabe ist komplexer als es scheint. Kein Player im Markt bringt die notwendigen Spezialkenntnisse zu ihrer umfassenden Lösung vollständig mit. Daher bot sich eine Kooperation an, zu der sich Krohne, Phoenix Contact und die Software AG entschlossen. Mit dem Ziel einer Best-of-Breed-Lösung brachte jeder Partner sein spezielles Wissen ein: Krohne als langjähriger Hersteller von Lösungen für die Prozessinstrumentierung, Phoenix Contact mit seiner Expertise für OT-Verbindungs- und Automatisierungstechnik und das Unternehmen Software als einer der Weltmarktführer für Integrationsplattformen sowie IoT- und Analytics-Lösungen für Unternehmen.

Bei der Gestaltung der Lösung stand an erster Stelle, dass Anlagenverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit – sowohl Cyber-Sicherheit als auch funktionale Sicherheit – weiterhin oberste Priorität haben müssen. Deshalb erachten die Partner das NOA-Konzept als geeignete Basis, um die OT-IT-Integration zu verwirklichen und künftig die erforderlichen Daten zur Lösung von Industrie-4.0-Use-Cases verfügbar zu haben.

Upgrade zum I4.0-Sensor

Fast alle Feldgeräte übertragen neben der primären Messvariablen über das digitale HART-Protokoll Diagnoseinformationen hinsichtlich ihres Zustands sowie weitere Prozesswerte. Zusätzlich zum Durchfluss erfassen beispielsweise magnetisch-induktive Messgeräte die Leitfähigkeit, die Rückschlüsse auf einen Belag im Rohrleitungssystem zulässt. Dies kann für die vorausschauende Instandhaltung genutzt werden, zum Beispiel wenn der Belag die Gefahr birgt, eine Pumpe zu schädigen. Coriolis-Masse-Durchflussmessgeräte bestimmen ebenfalls den Gasblasenanteil und erlauben Dichte- und Konzentrationsmessungen. Bei der Füllstandmessung liefern Sensoren Informationen über etwaige Schaumbildung.

Bei der nach wie vor weit verbreiteten Übertragung über 4…20 mA ohne parallelen Einsatz des vorhandenen digitalen Systems gehen diese zusätzlichen Mess- und Diagnosewerte jedoch weitgehend verloren. Doch von ihrer breiten Erfassung über digitale Schnittstellen könnten Big-Data-Anwendungen profitieren. Denn die HART-Signale lassen sich abgreifen, ohne in das Leitsystem einzugreifen oder die Kernautomatisierung zu beeinflussen. Bei ausreichend Platz im Schaltschrank oder auf der Hutschiene gelingt das im bestehenden Rangierfeld. Ältere Sensoren erhalten die nötige Konnektivität durch ein Gateway, mit dem sie zum I4.0-Sensor upgegradet werden. Die von Krohne, Phoenix Contact und der Software AG realisierte Interface-Lösung setzt dazu das OPC-UA-Protokoll ein. Über die OPC-UA-Schnittstelle eines Feldcontrollers von Phoenix Contact gelangen die Daten durch die sogenannte OT-IT-Bridge auf die Plattform der Software AG. Damit stehen diese Daten beispielsweise für die Analyse, das Monitoring und die Optimierung zur Verfügung. Bei Bedarf können die erfassten Daten auch schon in der Produktionsanlage (vor Ort) über eine Edge-Lösung vorverarbeitet und für die Übertragung entsprechend aggregiert werden.

Informationsmodell PA-DIM für Prozessgeräte

Einer der Schlüssel zur funktionierenden OT-IT-Integration für Industrie 4.0 liegt in der Standardisierung der Semantik der gewonnenen Daten. Sie erst schafft den Kontext, durch den Daten ihren eigentlichen Wert erlangen. Während aktuelle Protokolle die Kernautomatisierung auf Basis standardisierter Messwerte sowie grundlegender Diagnosen bewerkstelligen, existierten für darüberhinausgehende Diagnosen und Prozessmesswerte kaum Standards. Daher ging die Einbindung bislang mit großem Aufwand einher. Das Problem wird durch eine Art Wörterbuch gelöst, das klarstellt, welche Bezeichnung für einen bestimmten Diagnose- oder Prozesswert steht.

Mit PA-DIM (Process Automation – Device Information Model) respektive NOA IM wurde ein solches gemeinsames Informationsmodell für Prozessgeräte definiert. Es umfasst neben sogenannten Nameplates mit Angaben zu Hersteller, Seriennummer oder Gerätetyp auch Semantic IDs, die bestimmten Daten zugewiesen werden. Aufgrund internationaler Standardisierung im Common Data Dictionary (CDD) der IEC 61360 sowie der IEC 61987 sind diese IDs eindeutig. Das Konzept liegt der Lösung zugrunde. Sie kann somit herstellerunabhängig auf die standardisierten Geräteinformationen zugreifen und diese gemäß PA-DIM für übergeordnete Applikationen bereitstellen. Die Kontextualisierung ist dabei gegeben. Ein integrierter IIoT-Server im Feldcontroller von Phoenix Contact identifiziert den Sensor automatisch und ordnet ihm die richtige Beschreibungsdatei zu. IoT-Tools der Software AG für Device Integration und Managements sorgen zum einen dafür, dass dieser Pool an Beschreibungsdateien immer aktuell ist. Auf der anderen Seite bereiten sie die gewonnenen Daten für die anschließende einfache Auswertung in unterschiedlichen Anwendungen auf.

Datenübertragung via OPC-UA-Protokoll

Eine so gestaltete durchgängige Kommunikation stellt besonders hohe Anforderungen an die IT-Sicherheit. Gerade dies gilt als eine herausragende Eigenschaft von OPC UA. Das Protokoll berücksichtigt insgesamt sieben Sicherheitsaspekte, wobei es auf offenen, etablierten Standards aufsetzt. Darauf ist auch die hohe Akzeptanz durch die IT-Verantwortlichen zurückzuführen, die bei der OT-IT-Integration eine wesentliche Rolle spielen.

Mit ihrer vorgefertigten Lösung einer OT-IT-Bridge decken Phoenix Contact und die Software AG alle Anforderungen ab. Die gemeinsame Schnittstelle zwischen protokollwandelnden OT-Komponenten und der Integrationslösung ist die Basis, um Datenflüsse effizient grafisch zu orchestrieren. Das Konzept erfüllt die wichtigen Enterprise Grade Features wie Skalierbarkeit, Hochverfügbarkeit, Sicherheit sowie Wartbarkeit und Nachvollziehbarkeit – zum Beispiel durch eingebaute Versionierungsfähigkeiten. Darüber hinaus werden die Daten nahe Real-Time verarbeitet. In einem gemeinsam erstellten Demonstrator beweist die OT-IT-Bridge ihre Funktionsfähigkeit.

Die verwendete Integrationsplattform der Software AG wird kontinuierlich weiterentwickelt, um Anforderungen im Industrie-4.0-Kontext abzudecken. Durch die Kompetenz der Prozessspezialisten von Phoenix Contact wird nun ebenfalls ihre Konnektivität in die Feldebene umgesetzt. In der OT-IT-Bridge übernehmen die Tools von Phoenix Contact den Part des Datensammlers. Die Kontextualisierung – das Anreichern der Rohdaten beispielsweise um Informationen zum Messzeitpunkt – verdankt die Lösung ebenso den Produkten von Phoenix Contact. Schließlich übergeben sie die Daten geschlossen und sicher an die Plattform der Software AG. Prozessingenieure müssen dazu lediglich über eine Check-Box auswählen, welche Daten für sie von Interesse sind. Die OT-IT-Bridge stellt sicher, dass jede Änderung der relevanten Werte registriert wird.

Wiederverwendung erprobter I4.0-Use-Cases

Spätestens in großen Anlagen mit Tausenden von Messstellen wird sich eine derartige Lösung als unverzichtbar erweisen. Denn ohne sie wären die Komplexität und das Mengengerüst der Daten nicht handhabbar. Aber selbst bei ersten Industrie-4.0-Pilotprojekten, in denen unter Umständen die Verknüpfung durch manuellen Datenexport und -import möglich wäre, bietet sich die Nutzung der OT-IT-Bridge an. Die Skalierbarkeit der Lösung sorgt dafür, dass der erprobte I4.0-Use-Case nach der Evaluierungsphase problemlos und mit geringem Aufwand ausgerollt und vervielfältigt werden kann.

Die schon jetzt hohe Zahl an I4.0-Pilotprojekten spricht ebenfalls für den Einsatz der OT-IT-Bridge. Angesichts von über 100 I4.0-Initiativen, die derzeit bei einzelnen Anwendern der Prozessindustrie laufen, würden die damit betraute Teams ohne geeignete Integrationslösung wohl schnell die Segel streichen. Bei der Implementierung neuer Lösungen sinkt der Aufwand durch Wiederverwendung und Strukturierung der Datenflüsse erheblich. Der Return-on-Invest wird daher schneller erreicht.

As-planned-as-built-Abgleich per Knopfdruck

Ist die OT-IT-Integration umgesetzt, lassen sich zahlreiche Industrie-4.0-Applikationen realisieren. Als unmittelbar nutzbringend betrachten viele Anwender heute Use Cases wie Predictive Maintenance sowie das vertiefte Monitoring von Prozessanlagen. Gerade das Verknüpfen von Daten unterschiedlicher Feldgeräte kann zu völlig neuen Erkenntnissen und einem großen Gewinn für den Instandhaltungsprozess und die Anlagenverfügbarkeit führen. Doch wer Daten in großem Maße aus dem Feld auf eine IoT-Plattform ausleitet, hat außerdem zahlreiche weitere Möglichkeiten. Nicht zuletzt die Start-up-Szene liefert immer neue Apps, mit deren Unterstützung Prozessingenieure Optimierungspotenziale identifizieren können.

Ein einfach durchzuführender Use Case besteht darin, jederzeit eindeutig festzustellen, welche Geräte und Maschinen aktuell in der Anlage verbaut sind, also automatisch einen As-planned-as-built-Abgleich vorzunehmen. Besonders in lange laufenden Großanlagen der Prozessindustrie sind häufig Diskrepanzen festzustellen, weil einzelne Sensoren oder Aktoren in der Vergangenheit durch andere Modelle ausgetauscht, dies jedoch nicht korrekt dokumentiert wurde. Aufgrund der OT-IT-Integration kann man die derzeitige Bestandsliste der HART-Geräte auf Knopfdruck erstellen. Wichtige Herstellerinformationen wie Geräteabkündigungen lassen sich anschließend zuordnen, und der Bestand von Ersatzgeräten kann zuverlässiger organisiert werden. Die so erlangte, ständig aktuelle Anlagentransparenz ist ferner zur Generierung eines digitalen Zwillings erforderlich.

Anzeige auf übersichtlichen Dashboards

Zu den weitverbreiteten Tools zur Analyse von Big Data in Chemiekonzernen gehört TrendMiner von der Software AG. Prozessingenieuren gelingt so die Überwachung der Produktionsprozesse, Analyse von Diagnosedaten und Prozesswerten oder eine einfache Vorhersage von Ereignissen. Datenspezialisten müssen nicht hinzugezogen werden. Vielmehr ist TrendMiner für Anwender mit einem tiefen Prozess-Know-how optimiert. Bestandteile wie die Recommendation Engine eröffnen großen Zusatznutzen im Tagesgeschäft. Sie schlägt automatisiert Sensor-Tags vor, die relevant für eine aktuelle Analyse oder für bestimmte, wiederkehrende Anlagenprobleme sein könnten. So lassen sich beispielsweise auffällige Messwerte und deren Auswirkung auf die Produktqualität untersuchen.

Ähnlich einfach funktioniert Cumulocity IoT von der Software AG. Mit diesem Werkzeug können sich Anwender unter anderem Informationen – zum Beispiel kritische Werte – auf einem übersichtlichen Dashboard anzeigen lassen. Auch dies geht parallel zu existierenden klassischen Leitsystem- und Scada-Strukturen. So wird beispielsweise Condition Monitoring oder Energie-Monitoring unterstützt. Die Königsklasse der Industrie-4.0-Use-Cases auf Basis umfassender, einfach zu realisierender OT-IT-Integration ist der Digitale Zwilling in seiner großen Ausprägung: das umfassende digitale Abbild einer kompletten Produktionsanlage mit all ihren Aspekten. Es ist zu erwarten, dass dabei die DEXPI-(Data Exchange in the Process Industry)-Initiative eine große Rolle spielen wird. Auf der Grundlage eines neutralen Standards erleichtert sie künftig den Datenaustausch zwischen Softwaretools verschiedener Hersteller deutlich.

Einbindung von Zusatzsensoren

Aktuell laufen bereits viele Modellprojekte in der Prozessindustrie, um die Potenziale der Industrie 4.0 auszuloten. Dabei werden oft zusätzliche sogenannte M+O-Sensoren verwendet, beispielsweise Druck- oder Temperaturmessstellen, Clamp-on-Durchflussmessgeräte, aber auch Körperschall- und Vibrationssensoren, die für die Kernautomatisierung des Prozesses nicht erforderlich sind, für bestimmte Analysen jedoch wichtige Daten liefern. Nicht immer muss tatsächlich Messtechnik nachgerüstet werden, zum Beispiel um den Zustand des Rotating-Equipment zu überwachen. Denn während hochpreisige Pumpen oder Kompressoren mit Sensorik ausgerüstet sind, ist dies bei kostengünstigen Maschinen nicht der Fall. Eine Nachrüstung käme meist zu teuer. Um dennoch ein Monitoring umzusetzen, können stattdessen existierende Messwerte, beispielsweise die von benachbarten Drucksensoren, oder der Verlauf der Motorbetriebswerte herangezogen werden.

Wer auf einfache Weise Zusatzsensoren einbinden und die Analyse der Massendaten bewerkstelligen kann, der wird schnell feststellen, welche weiteren Prozessvariablen einen Mehrwert bringen könnten. Da die Auswertung der Daten mit modernen Softwaretools auf der IT-Ebene stattfindet, kommen die Sensoren mit wenig eigener Intelligenz aus. Zusätzliche Sensorik – etwa intelligente Video- oder Wärmebildkameras – können darüber hinaus wesentliche Informationen über die Anlagenzustände liefern. Diese lassen sich ebenfalls mit Hilfe kostengünstiger Feldcontroller problemlos integrieren. Ihre Daten erreichen übergeordnete Systeme direkt und ohne Umwege über das Leitsystem. Gegebenenfalls kann auch die drahtlose Übertragung eingesetzt werden, insbesondere wenn die Datenraten gering sind.

Fazit

Nicht selten realisieren Anlagenbetreiber erst im Rahmen des erste Industrie-4.0-Pilotprojekts, dass die IT-Abteilung unbedingt mit eingebunden werden muss. Schließlich will man gerade die bisherige strikte Abkapselung der OT überwinden und die OT mit der IT verbinden. Moderne Architekturkonzepte wie NOA und eine professionelle OT-IT-Integration bieten die gemeinsame Basis, um abteilungsübergreifend Industrie-4.0-Projekte umzusetzen und gleichzeitig den Anforderungen an die Datensicherheit Rechnung zu tragen. Somit liefert die geschilderte OT-IT-Integration die Grundlage für eine effiziente Digitalisierung von Prozessanlagen und hilft dabei, die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie gegenüber der internationalen Konkurrenz auszubauen.