Eine der derzeit größten Herausforderungen für die Industrie ist die Frage, wie sich digitale Innovationen in traditionelle, verteilte Steuerungssysteme (Distributed Control Systems/DCS) integrieren lassen, ohne die empfindlichen Produktionsprozesse zu stören – und das auf kosteneffiziente und agile Art und Weise. In einer traditionellen Architektur sind zentrale Steuerungsfunktionen und digitale Funktionen wie Anlagenmanagement und Optimierung oft eng miteinander verflochten. Dieses Design hat sich seit langem bewährt, wenn es darum geht, deterministisches Verhalten, Zuverlässigkeit und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Angesichts der zunehmenden Geschwindigkeit digitaler Innovationen erfordert die Einführung neuer Innovationen auf der digitalen Seite sorgfältige Überlegungen, da Änderungen validiert werden müssen, um sicherzustellen, dass sie den Betrieb auf der Steuerungsseite nicht gefährden. Für Anlagenbetreiber, die kontinuierlich laufende Prozesse verwalten, ist es keine leichte Entscheidung, Änderungen vorzunehmen oder mit neuen Lösungen an im Wesentlichen laufenden Systemen zu experimentieren. Wenn eine Änderung in einem Bereich unbeabsichtigte Auswirkungen an anderer Stelle hat, kann dies zu Ausfallzeiten führen und die Ausfallsicherheit der gesamten Anlage beeinträchtigen. Die Validierung von Anpassungen kann daher viel Zeit und Geld kosten.
Aus diesem Grund richtet sich die Aufmerksamkeit zunehmend auf das Konzept der „Seperation of Concerns“. Dieser Begriff ist in der IT, Telekommunikation und Finanzbranche weit verbreitet, in der industriellen Automatisierung jedoch weniger bekannt. Er beinhaltet die Aufteilung von Systemen in unterschiedliche Umgebungen, wobei jede für einen bestimmten Belang, eine bestimmte „Zuständigkeit“ optimiert ist. Anstatt die bewährte Steuerungsumgebung zu verändern, können kritische Steuerungsaufgaben, digitale Anwendungen und Optimierungsaufgaben in separaten, aber miteinander verbundenen Domänen innerhalb des Automatisierungsökosystems ausgeführt werden.
Ein gut konzipiertes, modernes Automatisierungssystem mit echter Aufgabentrennung schafft eine digitale Umgebung, in der Optimierungen und Anpassungen einfacher durchgeführt werden können, ohne das Risiko für den Kernbetrieb zu erhöhen. Die Vorteile sind schnellere Innovationszyklen, eine höhere Sicherheit und Cybersicherheit sowie größere Flexibilität mit mehr Spielraum für Optimierungen. Gleichzeitig bleiben die Robustheit und Zuverlässigkeit erhalten, auf die traditionelle DCS-Architekturen ausgelegt sind.
Moderne Automatisierungssysteme sind besser verwaltbar
Traditionelle Automatisierungsarchitekturen wurden in der Regel für den Betrieb in einer klar definierten Betriebsumgebung konzipiert. In dieser waren zentrale Steuerungsfunktionen, Engineering-Tools, Optimierungsanwendungen und digitale Dienste eng in einem einzigen System integriert. Dieser Ansatz hat sich als äußerst effektiv erwiesen, um Robustheit, Zuverlässigkeit und deterministische Leistung in anspruchsvollen industriellen Umgebungen zu gewährleisten.
Mit der Weiterentwicklung von Anlagen und der Einführung zusätzlicher digitaler Funktionen entstehen jedoch neue Anforderungen und Abhängigkeiten innerhalb dieser ohnehin schon komplexen Systeme. Die Einführung neuer digitaler Anwendungen, die Installation von Software-Updates oder die Bereitstellung von Cybersicherheits-Patches kann sich auf übergeordnete Systeme auswirken. Dies bedeutet, dass oft umfangreiche Validierungen erforderlich sind, um sicherzustellen, dass die Betriebssicherheit nicht beeinträchtigt wird.
Erschwerend kommt hinzu, dass sich viele Anlagensysteme im Dauerbetrieb befinden – 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr. Unterbrechungen außerhalb der geplanten Abschaltzeiten sind schlichtweg nicht realistisch. Darüber hinaus entwickeln sich digitale Anwendungen ständig weiter und erfordern immer häufigere Updates. Eine gleichartige Behandlung der zentralen Steuerungsumgebung und der digitalen Ebene kann Innovationen verlangsamen, da Betreiber bestrebt sind, das Risiko unbeabsichtigter Störungen größerer Systeme zu minimieren.
Die Funktionstrennung baut auf den Stärken traditioneller Automatisierungsarchitekturen auf, indem sie deren robusten, eng integrierten Kern beibehält und gleichzeitig die Architektur erweitert, um den sich rasch weiterentwickelnden digitalen Funktionen besser gerecht zu werden. Durch eine klarere Abgrenzung zwischen der zentralen Steuerungsumgebung und der digitalen Umgebung trägt sie dazu bei, die Komplexität zu bewältigen und die Instandhaltung zu verbessern, indem Überwachung und Optimierung vom Kernsystem entkoppelt werden. Dies ermöglicht eine schrittweise Modernisierung, um Initiativen zur digitalen Transformation zu beschleunigen, offene Systeme zu nutzen und den Betrieb zukunftssicher zu machen, während die kontinuierliche Betriebsfähigkeit der kritischen Kernsteuerung gewährleistet bleibt.
Aktualisierungen digitaler Anwendungen, die in der Regel häufigere Eingriffe erfordern, können in ihrer eigenen sicheren Umgebung verwaltet werden, wodurch das Risiko negativer Auswirkungen auf die Kernsteuerungssysteme verringert wird. Obwohl funktional getrennt, bleiben die beiden Umgebungen grundlegend miteinander verbunden, sodass Erkenntnisse und Innovationen, die in der digitalen Umgebung entwickelt wurden, weiterhin problemlos in die Steuerungsumgebung migriert und dort implementiert werden können.
Getrennt und doch vernetzt
Dies ist ein Prinzip, das in ABBs „Automation Extended“ zum Tragen kommt. Durch die Verbindung von zwei Softwareumgebungen – der Kernsteuerung und der digitalen Umgebung – werden die Aufgabenbereiche effektiv getrennt, während gleichzeitig ein einheitliches Automatisierungsökosystem entsteht. Während der Steuerungsbereich auf Leistung, Ausfallsicherheit und Cybersicherheit optimiert bleibt, bietet der digitale Bereich einen flexibleren Raum, um Innovationen und Konzepte zügig zu entwickeln. Dadurch wird die Komplexität vereinfacht und ein Ökosystem geschaffen, in dem Betreiber den Betriebsablauf kontinuierlich optimieren können.
In der ABB-Systemarchitektur ist eine Anwendung in kleine, unabhängige Dienste unterteilt, von denen jeder für eine bestimmte Funktion zuständig ist. Durch die Isolierung verschiedener Aufgabenbereiche ist es weniger wahrscheinlich, dass Änderungen in einem Teil des Systems Auswirkungen auf andere Teile haben. So ist jede Funktion einfacher zu warten und zu aktualisieren, ohne die Integrität der Kernsteuerung zu beeinträchtigen. Funktionen können zudem unabhängig voneinander getestet werden. Dadurch lassen sich Probleme leichter identifizieren und beheben, sodass sie keine Gefahr mehr für größere Systeme darstellen können. Zudem lassen sich Funktionen, die bestimmte Aufgaben erfüllen, leichter duplizieren oder an anderer Stelle in der Anwendung wiederverwenden.
Die Kombination eines OPC-UA-Backbones mit einer Cloud-nativen, containerbasierten Architektur ermöglicht dem System die Bereitstellung leistungsstarker neuer Funktionen für den industriellen Betrieb. Dadurch werden zahlreiche Verbesserungen ermöglicht, von der proaktiven Erkennung und Korrektur von Prozessabweichungen bis hin zur Optimierung von Wartungsstrategien durch kontinuierliche Zustandsüberwachung kritischer Anlagen. Gleichzeitig wird die Entwicklung durch modulare Lösungen, die auf unterschiedlicher Hardware laufen, rationalisiert. Das Ergebnis ist eine skalierbare, agile Architektur, die eine starke, zuverlässige Leistung gewährleistet.
Die digitale Umgebung ermöglicht die schrittweise und reibungslose Einführung neuer Tools und Anwendungen – darunter KI/ML, Edge-Intelligence, IoT-Integration und fortschrittliche Analysen – in einem Tempo, das mit den betrieblichen Prioritäten und strategischen Zielen im Einklang steht.
Die „Automation Extended“-Architektur bietet Endnutzern zahlreiche Vorteile. Durch die Trennung verschiedener Elemente einer Anwendung können Entwickler jede Komponente einzeln optimieren. Das führt zu reibungsloseren und schnelleren Entwicklungsabläufen. Die separate Optimierung von Komponenten und die Feinabstimmung jedes Elements im Hinblick auf Effizienz können zudem zu einer insgesamt besseren Anlagenleistung führen. Probleme in einem Modul wirken sich weniger wahrscheinlich auf den Betrieb anderer Module aus. Das führt generell zu einem stabileren Betrieb, während Sicherheitslücken leichter eingedämmt werden können.
Innovation ohne Unterbrechung
Entscheidend ist, dass die funktionale Unabhängigkeit dieses digitalen Raums von der angrenzenden Steuerungsumgebung die Integrität der Kernprozesse und bewährten Steuerungsstrukturen sicherstellt. Innerhalb dieser Umgebung können neue Tools jederzeit evaluiert, implementiert oder aktualisiert werden, ohne dass die Kontinuität der zentralen Steuerungsfunktionen gefährdet wird.
Für industrielle Betreiber ist dies ein bedeutender Fortschritt. Modularität allein reicht nicht mehr aus. Die nächste Entwicklungsstufe im DCS ist die intelligente Trennung. Automation Extended bietet den Rahmen dafür, wie zukünftige Automatisierungsfunktionen schrittweise eingeführt werden können – unter Beibehaltung des Bewährten und gleichzeitiger Ermöglichung der Flexibilität, Skalierbarkeit und Effizienz, die für die nächste Ära des industriellen Produktionsbetriebs erforderlich sind. Im Wesentlichen trägt Automation Extended dazu bei, dass Automatisierungssysteme intelligenter, schneller und widerstandsfähiger werden, ohne das zu stören, was bereits funktioniert.
Luis Duran, Verfasser dieses Artikels:
Manager für Industry Initiatives, Standards and Market Trends im Bereich Industrieautomation bei ABB Automation. Er hat einen BSEE- und einen MBA-Abschluss der Universidad Simón Bolívar in Caracas, Venezuela, und verfügt über mehr als 36 Jahre Erfahrung in verschiedenen Funktionen der Prozessautomation, darunter Prozesssteuerung, Manufacturing Execution Systems, sicherheitsgerichtete Systeme und kritische Steuerungen. Er verfügt über mehr als 22 Jahre Erfahrung im Produktmanagement, einschließlich Produktmarketing und Produktlinienmanagement. Er ist ABB-Vertreter im Open Process Automation Forum und beteiligt sich an weiteren Brancheninitiativen wie Modular Automation und margo. Er sensibilisiert für die aktuellen Herausforderungen und Veränderungen in der industriellen Automatisierung sowie für die Transformation von Betriebstechnologien, um den zukünftigen Anforderungen der Branche gerecht zu werden.
