Einführung

Die Einführung neuer Technologien in dieser digitalen Reform ist das Gebot der Stunde für die nächste Generation der Prozess und Fabriksteuerungsautomatisierung. Daher erwarten die Unternehmen eine Datenflut von intelligenten Sensoren, Aktoren, Robotern und anderen industriellen Geräten. Die Unternehmen bereiten sich auf die exponentielle Einführung von Rechenleistung, 5G, AI, ML, Big-Data-Analytik, 3D-Technologie, neuen HMIs mit Touchscreens, AR/VR-Funktionen und vielem mehr vor, um ihre digitale Transformation voranzutreiben.

Das derzeitige Szenario in der Prozesssteuerungsautomatisierung auf den unteren Ebenen wie L0, L1 und L2 ist jedoch eine geschlossene, hochgradig proprietäre und verteilte Struktur, an der mehrere OEMs, mehrere Anbieter, Systemintegratoren und Geschäftsinteressenten direkt beteiligt sind.

Sie stehen vor der Herausforderung, dass die Endnutzer eine Normierung auf der OT-Ebene fordern, die die Interoperabilität zwischen den Technologien der Prozessautomatisierung ermöglicht und eine ganzheitliche Sichtweise bietet. Die geschäftliche Notwendigkeit, die Kapital- und Lebenszykluskosten für die Prozesssteuerung zu senken und Skalierbarkeit und Cybersicherheit zu einem integralen Bestandteil dieser Systeme zu machen, ist ein weiterer zwingender Faktor.

Der Open Process AutomationTM Standard (O-PASTM Norm) oder “Norm der Normen”,） wie er im Volksmund genannt wird, trägt diesem immensen Druck Rechnung, eine offene, interoperable und sicher-durch-Design Systemarchitektur für die Prozessautomatisierung zu schaffen. Diese Norm gewährleistet die Interoperabilität zwischen bestehenden Kontrollsystemen auf allen Ebenen und bietet zertifizierte Systeme und Komponenten, die den vereinbarten Normen entsprechen. Dabei werden sowohl geschäftliche als auch technische Herausforderungen der Prozessautomatisierung in vielen verschiedenen vertikalen Branchen angesprochen.

Hier finden Sie einen kurzen Überblick über den O-PASTM-Norm und darüber, wie er eine wichtige Rolle in der Zukunft der Prozessautomatisierungsbranche spielen wird.

Open Process AutomationTM Norm (O-PASTM Norm) Entwicklung

Die ” Norm der Normen ” ist eine Initiative, die 2016 von The Open GroupOpen Process AutomationTM Forum (OPAF) gestartet wurde. Dieses globale Konsortium aus Endanwendern, Systemintegratoren, Zulieferern und anderen Normungsorganisationen arbeitet zusammen, um sicherzustellen, dass künftige Automatisierungssysteme echte herstellerübergreifende Interoperabilität, adaptive Eigensicherheit und einen einfachen Weg für die Systemmigration bieten.

Die neue Architektur bringt mehr Normierung und Flexibilität in die bestehenden Prozessautomatisierungssysteme, die verteilte Steuerungssysteme (DCS) und speicherprogrammierbare Steuerungen (PLCs) verwenden. Da Automatisierungsanwendungen eine extrem hohe Verfügbarkeit und Echtzeitleistung erfordern, sind Prozessautomatisierungssysteme seit jeher in hohem Maße proprietär. Deshalb brauchen wir einen völlig neuer Norm, die den Endnutzern, Integratoren und

Verkäufern bei der Integration von IT und OT im neuen Zeitalter einen Mehrwert bietet.

  • Einfache Integration der verschiedenen Komponenten, die bei der Einrichtung verwendet werden
  • Ermöglicht innovative Wertschaffung.
  • Automatisierung der Bereitstellung, Initiierung und des Lebenszyklusverwaltung von Legacy sowie als OPAF-kompatiblen Geräten.
  • Insgesamt geringere Kosten für die Aufrüstung oder den Ersatz von Kontrollsystemen
  • Entdecken Sie neue Geschäftsmärkte und Kunden
  • Mit neuen Produkten und Dienstleistungen für bestehende Kunden erreichbar bleiben
  • Befähigt die Belegschaft mit einem sicheren und geschützten Gestaltung

Bevor wir in die Feinheiten der O-PASTM Norm eintauchen, gibt es drei Versionen der Norm, die von der OPAF erstellt wurden oder in Vorbereitung sind.

  • Version 1, erstmals 2019 veröffentlicht und befasst sich mit dem wichtigen Qualitätsmerkmal der Interoperabilität.
  • Version 2, die im Januar 2020 veröffentlicht, befasst sich mit der Übertragbarkeit von Konfigurationen.
  • Version 3, die im Jahr 2022 erscheint, wird sich mit der Portabilität und Orchestrierung von Anwendungen befassen.

Unter der Haube von O-PASTM Norm

Die ” Norm der Normen ” ist eine gemeinsame Anstrengung verschiedener Industriegruppen wie OPC Foundation, Control System Integrators Association (CSIA), Distributed Management Task Force (DMTF), speziell für die Redfish-API, FieldComm Group, Industrial Internet Consortium (IIC), International Society of Automation (ISA) und NAMUR und anderen.

Diese Zusammenarbeit zeigt sich in der aktuellen Version 2.1, die einen wesentlichen Beitrag der OPC Foundation (für OPC UA Konnektivität), ANSI/ISA 62443 für Sicherheit und DMTF Redfish für Systemverwaltung enthält.

Die aktuelle Version 2.1 der Vornorm besteht aus folgenden Teilen:

  • O-PAS Teil 1 – Überblick über die technische Architektur (informativ)
  • O-PAS Teil 2 – Sicherheit
  • O-PAS Teil 3 – Profile (informativ) ( getrennt erhältlich als S211)
  • O-PAS Teil 4 – O-PAS-Konnektivität Framework (OCF)
  • O-PAS Teil 5 – Systemverwaltung
  • O-PAS Teil 6.1 – Information und Austauschmodelle: Übersicht und Schnittstellen
  • O-PAS Teil 6.2 – Information und Austauschmodelle: Grundlegende Konfiguration
  • O-PAS Teil 6.3 – Information und Austauschmodelle: Konfiguration von Alarmen und Ereignissen
  • O-PAS Teil 6.4 – Information und Austauschmodelle: Funktionsbausteine
  • O-PAS Teil 6.5 – Information und Austauschmodelle: IEC 61499 (Demnächst)
  • O-PAS Teil 6.6 – Information und Austauschmodelle: IEC 61131
  • O-PAS Teil 7 – Verteilte Steuerungsplattform

Warum ist die O-PASTM Norm eine zukünftige Anforderung für die Industrie?

In der Automatisierungsindustrie ist die untere L1, L2 Schicht stark proprietär mit einer strengen Herstellerkontrolle über die Geräte,auf denen PLC‘s,DCS, Sensoren, Aktoren und IO-Geräte arbeiten. Hier werden die industriellen Prozessdaten kontinuierlich gesammelt, umgewandelt, übertragen und über die Netz-/Kommunikationsschichten aufgenommen, damit sie für die verschiedenen Beteiligten wie Betreiber, Systemintegratoren und Unternehmensleiter sinnvoll sind.

Mit OPC UA sind wir derzeit in der Lage, einheitliche und konsistente Daten von jeder Schicht (von L1, L2, bis L4, L5) zu erhalten. Mit dieser Norm wird beabsichtigt, dass jede Komponente in der OPAF-Architektur mit jeder Komponente über die Netz-/Kommunikationsschichten hinweg kommunizieren kann.

Durch OPC UA, das eine Normierung in den höheren Schichten vorsieht, sah sich die Automatisierungsindustrie zusätzlichem Druck ausgesetzt, eine Normierung auch in den unteren Netzebenen vorzunehmen. Die Frage ist nun, wie der O-PASTM Norm und seine verschiedenen offenen Prozessautomatisierungstechnologien (OPA) in Prozesssteuerungssystemen der nächsten Generation genutzt werden können. Dies ist mit einem OPA-basierten Steuersystem möglich, das die Integration der besten Komponenten unterstützt und sowohl die Konfiguration als auch die Portabilität der Anwendungen von Komponenten verschiedener Anbieter ermöglicht. Diese Normierung wird sich nicht nur auf die Hardware, sondern auch auf die Software innerhalb dieser Komponenten auswirken.

Für eine detailliertere Betrachtung der Rolle von OPC UA in der OPAF Norm, lesen Sie bitte unseren Blog hier

OPAF Architektur

Kurz gesagt, die OPAF-Architektur ermöglicht den sicheren Datenaustausch und fließen von DCNs und/oder älteren, nicht-konformer DCS, PLCs und IO-Geräten über einen gemeinsamen OCF-Bus. Dieser Bus beruht auf dem Kommunikationsstandard OPC UA, der es den Gateway-DCNs ermöglicht, die Prozessrohdaten zur weiteren Datenverarbeitung an die Advanced Computing Platform (ACP) zu liefern. Die gesamte Datenorchestrierung und Systemverwaltung wird vom OSM übernommen, der im Grunde das Gehirn der gesamten OPAF-Architektur ist.

Die Architektur der O-PASTM-Norm ist unten dargestellt. Dies zeigt die verschiedenen Komponenten, die die Bausteine dieser Norm bilden.。

　　　　　Figur: DCNs in einem offenen Prozessautomatisierungssystem

Quelle: Basierend auf dem Bild von ARC web （https://www.arcweb.com/industry-best-practices/what-distributed-control-node）

Ein Grundverständnis der verschiedenen oben genannten Begriffe ist notwendig, um die Gesamtarchitektur der OPAF-Norm zu verstehen.

Verteilter Kontrollknoten (DCN)

Aus der obigen Abbildung ist ersichtlich, dass das DCN das Herzstück dieser Architektur ist. Diese wesentliche Komponente ist OPAF-Konforme und ist das Modul, das die Standardisierung auf die OT-Schicht bringt. Sie sind im Grunde Feldrandgeräte, die an die Feldverdrahtung angeschlossen sind.

DCNs sind in der Lage, die Steuerung, die Ausführung von Anwendungen und andere Funktionen für einen nahtlosen Datenaustausch mit den höheren Schichten zu übernehmen. Diese kleine, kostengünstige IO- und Prozesssteuerungskomponente verbindet die Fähigkeiten der heutigen DCS, I/O-Module und Steuerungen. In einem offenen Prozessautomatisierungssystem kann es nur wenige oder bis zu mehreren tausend DCN-Module geben. Die Laufzeitsoftware kann so konfiguriert werden, dass sie selektiv Kommunikation und Funktionsblockausführungsdienste auf der Ebene der Steuerungsanwendung bereitstellt.

O-PASTM Konnektivität Framework (OCF-Bus)

Der Echtzeitbus ist im gesamten OPAF Prüfstand vorhanden und unterstützt den Datenverkehr zu allen Komponenten des Systems. Für die Kommunikation über OCF werden OPC UA basierte Kommunikation und für OPAF standardisierte Datenmodelle verwendet. Dieses Konnektivität-Framework mit Nachrichtenbus-Architektur ermöglicht es verschiedenen DCNs, miteinander zu kommunizieren. Selbst die Legacy oder nicht OPAF-konforme Geräte können in die neue OPAF-Architektur integriert werden.

Fortgeschrittene Computing Plattform (ACP)

ACP ist eine Computing-Plattform mit verschiedenen Anwendungen, die auf einer hardwareunabhängigen Plattform laufen und eine bessere Wartung, Energieüberwachung, Verwaltung und Optimierungsvorgaben ermöglichen. Es führt die Datenverarbeitung mit unterschiedlichen funktionalen Anforderungen durch und stellt sie dem OCF-Bus gemäß den Norm Schnittstellen zur Verfügung. Einige der funktionalen Anforderungen, die von ACP erfüllt werden, sind Datenerfassung, Filterung, Daten und Ereignis Historisierung, Datendarstellung, Prüfpfade, Diagnoseüberwachung und Verschreibungen. Das Gateway-DCN wird verwendet, um einfache Anwendungen zu hosten und einen Basis-ACP zu haben.

O-PASTM Kommunikationsschnittstelle (OCI)

Die Gerätehersteller ermöglichen es den Endnutzern, die Softwarekomponenten der Hardwaregeräte entsprechend ihren Anforderungen hinzuzufügen, zu konfigurieren und zu programmieren. Um das Gerät für den übrigen Teil des Systems als DCN sichtbar zu machen, kann die Softwareschicht OCI als eingebettete Anwendung zu einem solchen nicht konformen Gerät mit flexibler Architektur hinzugefügt werden.

Orchestrierung und Systemverwaltung (OSM)

Orchestration und die Systemverwaltung ist ein zentrales System, das die gesamte OPAF-Architektur bereitstellt, konfiguriert und verwaltet. Die meisten herstellerspezifischen Werkzeuge, Orchestrierung Meister, System Verwaltung-Clients usw. werden für die Entwicklung und Erstellung von OSM verwendet. Verschiedene Skripte und andere kundenspezifische Werkzeuge, die zur Erfüllung der OSM-Anforderungen entwickelt wurden, werden von hier aus bereitgestellt und ausgeführt.

Gateway DCN

Vorhandene PLC und DCS-Steuerungsgeräte, die nicht mit den OPAF-Normen konform sind, werden über ein Gateway DCN in die neue Systemarchitektur integriert. Diese Gateways ermöglichen eine einfache Konfiguration und den Datenaustausch mit verschiedenen Endpunkten wie IO, PLCs, DCS usw. Ihre Multi-Plattform-, Skalierbarkeit und Portabilität Eigenschaften ermöglichen eine einfache Konfiguration der Endpunkte für Datenpunkt-Mapping, Datenquelle, Alarme, Ereignisse und HDA der aggregierten Daten über OPC.

Warum Utthunga für die Implementierung der O-PASTM Norm

Die Industrie erkennt schnell den geschäftlichen und technischen Wert, den die O-PASTM Norm mit sich bringt. Die OPAF-Spezifikation wird schnell weiterentwickelt, und derzeit sind nur einige wenige Komponenten vom OPAF-Forum sehr detailliert spezifiziert worden. Angesichts dieser begrenzten Einblicke dienen wir von Utthunga als globale Berater und Technologiepartner für die OPAF-Gemeinschaft. Unser exklusiver Schwerpunkt wird vor allem auf liegen:

  • Beitrag zur OPAF Spezifikation, um einen positiven Einfluss im Bereich der industriellen Automatisierung zu erzielen
  • Als vertrauenswürdiger Partner für die Einführung von OPAF in der Industrie und bei Lieferanten dienen
  • Zusammenarbeit mit Endnutzern bei der OPAF-Prüfstand und die DCN Implementierung in der Produktionsumgebung
  • OPAF-konforme Anbieter für Konnektivität und Simulationen für spezifische Branchenanforderungen

Utthunga ist Silbermitglied der Open Group und unsere enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Industriekonsortien wie OPC Foundation, ISA und FieldComm unter anderen verschafft uns direkten Zugang zu Technologien und Strategien, die für die Verbesserung der O-PASTM Norm zur Verfügung stehen. Unser OPAF-Beratungsservice ist eine Initiative, die sicherstellt, dass Ihre Plattform operative Exzellenz und Kostenoptimierung erreicht und die Komponenten für die Übereinstimmung mit der OPAF Norm validiert werden.

Unsere OPAF Dienstleistungen

Unser Angebot umfasst sowohl DCN und Prüfstand Entwicklungsdienste, um sicherzustellen,dass zukünftige und bestehende Komponenten, die in der industriellen Prozessautomatisierung eingesetzt werden, interoperabel sind und der OPAF-Norm entsprechen.

Unser Ansatz beginnt mit dem Verständnis der Anforderungen der Endbenutzer (sowohl System als auch Validierung) und der Vorlage einer Roadmap, die den Umfang, die Normen, die Bereiche, den Zeitplan, die Meilensteine, die Risiken und die Ergebnisse Ihres Projekts bestimmt.

Eine typische DCN- oder Prüfstand-Entwicklung beinhaltet die Implementierung der technischen Machbarkeit einer offenen Prozessautomatisierungsarchitektur und die Erstellung eines Systems mit Komponenten mehrerer Lieferanten. Dabei werden, wo immer möglich, die Normen eingehalten, einschließlich OPC-UA für die Konnektivität, IEC 61131-3 für die Steuerungsfunktionen und IEC 61499-4 für die Ausführung.

Unsere Fähigkeiten:

  • Systemintegrationsexpertise in den Bereichen Prozesssteuerung, Automatisierung, Systemgestaltung, Programmierung, Cloud, Integration von Drittanbietern usw. für verschiedene, über verschiedene Standorte verteilte Systeme
  • OPC UA Expertise in OPC Konnektivität über uOPC Suite, unser proprietäres Konnektivität Framework. Unsere mehr als 14-jährige praktische OPC Erfahrung in den Bereichen Technik, Funktion, Betrieb und Domäne hilft uns bei der Entwicklung von OPC UA basierten Produkten und Lösungen für verschiedene Branchen. Durch unser Verständnis der OPC UA Companion Spezifikationen & OPC Informationsmodelle gewährleisten unsere Lösungen eine nahtlose horizontale und vertikale Verbindung zwischen den Systemen. Unsere erfahrenen OPC-Ingenieure sind Experten in der Entwicklung von eingebetteten OPC UA Anwendungen mit Client/Server und PubSub Kommunikationsmodell sowie TSN-Funktionen.
  • Die Sicherheitsexpertise gewährleistet einen sicheren Datenaustausch zur Validierung der Cybersicherheitsfähigkeiten gemäß Teil 2-OPAF-Spezifikation, IEC 62443-Sicherheitsstufen sowie die Validierung der OPC UA Sicherheitskonformität. Unsere Dienstleistungen umfassen Sicherheitsbewertung, Ingenieurwesen und Validierung für alle Anwendungen und Systeme. Das Team ist mit den allgemeinen Sicherheitsnormen (OSWAP, CERT, AWS/Azure, PTE, PCI DSS usw.) und den ICS-, IIoT- und OT-IT-Normen (ISA/IEC 62443, ISO27000-Serie usw.) bestens vertraut.
  • V&V Expertise in generischen& anpassbaren Plattformen für die Verifizierung von Hardware und Firmware Gestaltungen. Unsere erfahrenen Ingenieure testen verschiedene Herstellerprodukte, die als DCN gemäß OPAF qualifiziert werden können. Außerdem testen wir verschiedene Komponenten des Prüfstands, einschließlich der Gateway-DCNs, Geräte (IO, PLCs, DCS usw.), Kommunikationsbusse und Schnittstellen durch Prozess/Gerätesimulationen.
  • Expertise über Virtualisierung in den Bereichen Netzwerk, Speicher, Kommunikation und Daten
  • Protokollexpertise in branchenüblichen und proprietären Protokollen, V&V von Protokollen
  • Unterstützung der OPAF-Technologien und Normen:
    • Cloud: AWS, Azure, PubSub über MQTT und AMQP
    • IIoT: Speicherung, Machine Lernen, Analytik, Digitaler Zwilling usw.
    • Virtualisierung: Docker-Behälter, Orchestrierung, Dockerization Hypervisor, Trennung von Mikrokernen
    • Automatisierung: Automatisierung ML, PLCOpen Programmierung
    • OPC: OPC Classic, UA, PubSub, Profile, OPC Sicherheit, Informationsmodellierung Client/Server, PubSub Anwendungsentwicklung

Abschluss

Der zielgerichtete Ansatz der Open Group zur Bereitstellung offen, sicher durch Entwurf und interoperabel industriell Steuerungssysteme durch die O-PASTM Norm öffnet die Türen für ein föderiertes Ökosystem der Prozessautomatisierung. Utthunga führt von vorne als technischer Leitfaden und Partner für Ihre OPAF Implementierung. Die Unternehmen können die bestehende OPA-Entwicklungsarbeit und das technologische Fachwissen von The Open Group mit unserem bewährten Verständnis für Ihre technischen Anforderungen kombinieren, um ein OPA-System zu erstellen. Bereiten Sie Ihr Unternehmen mit der O-PASTM Norm und der Expertise von Utthunga auf ein OPAF-fähiges Ökosystem für die industrielle Prozessautomatisierung vor.