Evolution nach NOA oder Revolution mit OPA?

Open Process Automation versus Namur Open Architecture

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17.10.2017 Niemand gibt gern Geld für etwas aus, das er bereits hat. Bei der Alterssicherung von Prozessleitsystemen ist aber genau dies der Fall: Um die Funktionalität des Leitsystems zu erhalten, müssen Anlagenbetreiber in der Prozessindustrie enorme Summen in die Hand nehmen.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Die Open Process Automation soll helfen, dem klassischen Migrationszyklus durch eine komplett offene Automatisierung zu entkommen.
  • Der neue Ansatz erstreckt sich über alle Funktionen der Prozessautomatisierung, die heute mit Leitsystemen realisiert sind.
  • Im Gegensatz zur Namur Open Architecture wird mit „OPA“ eine komplett neue Automatisierungsstruktur vorgeschlagen.

Kein Wunder dass der Energiemulti Exxonmobil nach anderen Lösungen sucht – und beim Ansatz „Open Process Automation“ inzwischen auch zahlreiche Chemiekonzerne mit ins Boot geholt hat. Und im Gegensatz zur Namur Open Architecture stellt „OPA“ die klassische Struktur komplett in Frage.

Der Leidensdruck in Sachen Migration der Leittechnik ist bei Exxonmobil besonders groß: Der Konzern investiert Jahr für Jahr bis zu 40 Mrd. US-Dollar in neue Anlagen. Beispielsweise hat das Unternehmen im Frühjahr einen 20 Mrd. USD schweren Investitionsplan für Anlagen in der US-Golfregion vorgestellt. Rund 2 % der Gelder für Neuanlagen werden für Mess- und Automatisierungstechnik ausgegeben. Über die Jahre entstand und entsteht weiterhin eine enorme installierte Basis, die in Zyklen von typischerweise 10 bis 20 Jahren erneuert bzw. auf neue Technik migriert werden muss – ein finanzieller Kraftakt, der aus Sicht des Energiekonzerns zu wenig zusätzlichen Wert für das Unternehmen liefert. Dazu kommt, dass der Wert eines Automatisierungssystems häufig in anlagenspezifischen Anpassungen (z. B. Steuerrezepturen) liegt – diese müssen bei einem Systemwechsel in den jeweils geschlossenen, proprietären Systemen der Leittechnik-Anbieter aufwendig rekonstruiert und neu implementiert werden.

Komplett offene Automatisierungstechnik

Diesem Zyklus will das Unternehmen künftig durch eine komplett offene Automatisierung entkommen – und hat dazu die Vision „Open System Architecture“ entwickelt: Hard- und Software beliebiger Hersteller sollen künftig in einer Anlage genutzt werden und problemlos zusammenarbeiten, so die Idee – also plug-and-play-fähige Multi-Vendor-Automatisierungssysteme, die folgende Merkmale aufweisen:

  • einfachere Automatisierungsstruktur,
  • einfache Portierbarkeit der prozesspezifischen Applikationssoftware,
  • Automatisierungshardware kann unabhängig vom Hersteller eingesetzt werden,
  • einfache Optimierung möglich,
  • niedrige Lebenszykluskosten,
  • geringe Abhängigkeit von einzelnen Automatisierungslieferanten.

Der Konzern zielt dabei auf weit mehr als eine Exxonmobil-spezifische Lösung – der Ansatz soll, so die Protagonisten des Energiekonzerns – künftig von der gesamten Prozessindustrie genutzt werden und will dazu eine kritische Masse an Anwendern, Sytemintegratoren, Herstellern, Hochschulen und Standardisierungsgremien von der Idee überzeugen. Neben Exxonmobil, Chevron, Dow und Praxair gehören bereits die US-Gesellschaften von BASF, BP und Merck und zu den prominenten Anwendervertretern im Open Process Automation Forum. Auch Shell (Niederlande) gehört zum illustren Kreis der Unterstützer.

Leitsystem ade

Der neue Ansatz erstreckt sich über alle Funktionen der Prozessautomatisierung, die heute mit Leitsystemen realisiert sind. Zusätzlich gehören dazu Controller, höherwertige Regelstrategien (APC), die Bedienerschnittstellen (HMI) sowie die zugehörigen Engineeringwerkzeuge. In der klassischen Automatisierungspyramide sind das die Aufgaben von der Feld- über die Steuerungs- und Prozessleitebene bis hin zur Betriebsebene. Lediglich die Sicherheitssysteme sollen im Open-Process-Automation-Ansatz separat abgebildet werden.

Im Vorschlag von Exxonmobil werden Aspekte der Betriebstechnik in einer neuen Betriebsplattform – auch „Real-time Advanced Computing – RTAC“ genannt abgebildet. Diese soll standardisierte Software und kommerzielle Hardware (COTS) anstelle spezieller Automatisierungshardware nutzen.

Die Verbindung zwischen Betriebsplattform, Automatisierungs-Hardware und der Unternehmensleitebene (ERP-Welt) sowie künftigen Cloud Services schafft ein neu zu definierender Echtzeit-Servicebus (real-time servicebus), der basierend auf Open-Source-Software Datendienste bereitstellt und flexibel erweitert werden kann.
Ebenfalls neu ist der „DCN“ genannte Distributed Control Node, ein Controllermodul, das im Gegensatz zum Prozessleitsystem (DCS), jeweils einen einzigen Regelkreis steuert. So soll das Ausfallrisiko verteilt und insgesamt reduziert werden. Die Funktionen klassischer Leitsysteme könnten künftig entweder von Diensten der Betriebsplattform oder von den Controllermodulen übernommen werden.

Im ersten von drei Schritten hat Exxonmobil die Entwicklung eines Prototyp-Programms gestartet und dafür im vergangenen Jahr den amerikanischen Rüstungskonzern Lockheed Martin beauftragt. Ende 2016 wurde der zweite Schritt – namentlich der Standardisierungsprozess – gestartet. Unter der Führung der Open Group soll bereits bis Anfang 2018 ein erster Standard für die künftige Open Process Automation beschrieben werden. Ab 2018 sollen schließlich die Strukturen für die Entwicklung kommerziell verfügbarer Produkte definiert werden – Letztere sollen ab 2021 verfügbar sein.

NOA lässt die Automatisierungspyramide weiterleben

Während die Open Process Automation bisherige in der Prozessautomation bestehende Paradigmen einreißt, zielt die von der Namur im vergangenen Jahr vorgestellte Namur Open Architecture (NOA) auf das Ergänzen bestehender Automatisierungsstrukturen. Darin wird die klassische Automatisierungspyramide nicht aufgelöst, sondern so erweitert, dass schnelllebige IT-Komponenten von der Feldebene bis zur Unternehmensführung einfach integriert werden können, ohne die Verfügbarkeit und Sicherheit der Anlage zu gefährden. Gemeint sind unter anderem der Einsatz neuer, kostengünstiger Sensoren und Kommunikationstechnologien, beispielsweise drahtlos kommunizierender, batteriebetriebener Temperatur- oder Vibrationssensoren, die für Monitoring- und Optimierungsaufgaben eingesetzt werden.

NOA unterscheidet zwischen der Kern-Automatisierung und einer offenen Systemwelt für Monitoring- und Optimierungsaufgaben. Die Daten der bisherigen Kern-Automatisierung werden durch offene Schnittstellen wie beispielsweise OPC-UA in die Systemwelt für Monitoring und Optimierungsaufgaben exportiert. Wo erforderlich, werden zusätzliche Sensorsignale durch einen zweiten Kommunikationskanal direkt an den bestehenden Feldgeräten abgeholt. So können zusätzliche Sensoren im Bereich Monitoring und Optimierung durch NOA einfach in die offene Systemwelt integriert werden. Neue Monitoring- und Optimierungsfunktionen müssen künftig nicht mehr an den strengen Kriterien der Kernautomation gemessen werden – für solche Aufgaben kann dann Automatisierungstechnik eingesetzt werden, an die deutlich niedrigere Anforderungen an die Verfügbarkeit bestehen.

Geeignete Methoden und entsprechende Security-Maßnahmen sollen künftig sicherstellen, dass die Funktionen aus dem Monitoring- und Optimierungsbereich die Kern-Automatisierung nicht beeinträchtigen. Wollen diese die Kern-Automatisierung z. B. durch eine Befehlsanforderung beeinflussen, muss diese Anforderung durch eine neue Funktion „Verification of Request“ geprüft und freigegeben werden. Diese Prüfung kann durch erlaubte Wertebereiche, Plausibilitätschecks oder auch durch einen Dialog mit dem Operator erfolgen.

Wie das in der Praxis funktioniert, zeigten auf der Namur-Hauptsitzung im November 2016 gleich vier verschiedene Universitäten mit eigens entwickelten Demonstratoren. In den nächsten Schritten wollen die Anwender der Namur das Konzept in einer neuen Namur-Empfehlung beschreiben. Außerdem ist die Standardisierung geplant. Bis technische Lösungen kommerziell verfügbar sein werden, sind allerdings noch einige Detailfragen wie zum Beispiel die Ausgestaltung des zweiten Kommunikationskanals zu klären.

Fazit: Vieles spricht dafür, dass die Namur Open Architecture schneller Realität werden wird als die Open Process Automation. Vor allem in den vorwiegend von Brownfield-Projekten geprägten Chemiestandorten in Europa eröffnet NOA die Möglichkeit, existierende Anlagen industrie-4.0-fähig zu machen. Mehr Revolution statt Evolution bedeutet dagegen der OPA-Ansatz – dieser löst die traditionelle Automatisierungspyramide komplett auf und bedeutet langfristig das Ende der proprietären Prozessleitsysteme. Gemessen an den Erfahrungen der Feldbus-Entwicklung oder dem Geräteintegrations-Projekt FDI erscheint der Zeitplan der OPA-Protagonisten allerdings extrem ehrgeizig.

CT-Artikel: Namur stellt künftige Automatisierungsstruktur vor – Eine Arche für die Pyramide

CT-Spotlight: OPA vs. OPA – Kommt-jetzt-die-revolution?

 

Heftausgabe: Oktober 2017
Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK

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Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
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