Evolution der industriellen Automatisierung:Einführung offener Architekturen für Flexibilität und Nachhaltigkeit

TL;DR:Die Entwicklung industrieller Automatisierungsarchitekturen

Hersteller setzen auf offene Architekturen für die industrielle Automatisierung, um Flexibilität, Effizienz und Nachhaltigkeit zu verbessern. Herkömmliche geschlossene Systeme mit proprietärem Code schränken die Skalierbarkeit und Interoperabilität ein.

Offene Automatisierung auf Basis von IEC 61499 ermöglicht hardwareunabhängige Steuerungssysteme und die nahtlose Integration älterer und neuer Technologien. Dies unterstützt eine schnellere vorausschauende Wartung der Softwareentwicklung und einen einfacheren Zugriff auf Daten. Die universelle Automatisierung ermöglicht es Herstellern, Ausfallzeiten zu reduzieren, Kosten zu senken und Innovationen freier zu gestalten, während Cybersicherheits- und Hochverfügbarkeitsarchitekturen die Widerstandsfähigkeit für zukunftsfähige Abläufe gewährleisten.

Während Industriehersteller im Jahr 2025 mit weniger mehr erreichen wollen, erforschen Unternehmen fortschrittliche Automatisierungsarchitekturen, um betriebliche Effizienz mit umfassenderen Nachhaltigkeitsverantwortungen in Einklang zu bringen.

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Während jeder Hersteller anders ist und die Digitalisierung nutzt, um individuelle Ziele zu erreichen, gibt es sicherlich einige gemeinsame Ziele, die für die gesamte Branche gelten. Nämlich die Minimierung von Ausfallzeiten, die Verbesserung der betrieblichen Effizienz, die Reduzierung von Abfall (in allen Formen) und der Beitrag zur gemeinsamen Nachhaltigkeitsreise der Fertigung.

Diese Ziele stellen Herausforderungen dar, die Veränderungen in der Art der Steuerungssysteme der industriellen Automatisierung hin zu offenen Architekturen auf der Ebene der Betriebstechnologie (OT) vorantreiben. Diese Entwicklung kann Unternehmen und ihren Lieferketten einen Mehrwert bieten.

Was ist also der Grund für den Bedarf an offener Automatisierung? Die Notwendigkeit, den Nachteil zu überwinden, dass traditionelle proprietäre Technologien zwar individuell gut funktionieren, aber gesperrt und geschlossen sind und der Code nicht portierbar ist.

Für Hersteller ist es nicht möglich, kritische Anlagen sofort auszutauschen, sobald eine weiterentwickelte Version verfügbar ist. Dadurch verbleibt die veraltete Hardware mit maßgeschneiderter Software, Kommunikation und Hardware, sodass Benutzer an einen einzigen Anbieter gebunden sind. Typische Hersteller mit unterschiedlichen Systemen von mehreren Anbietern werden feststellen, dass diese Herausforderung mit der Weiterentwicklung der digitalen Transformation noch größer wird.

Viele Endbenutzer werden eine umfassende Überarbeitung des Systems der industriellen Automatisierung (IA) benötigen, da Code, der für die Ausführung auf veralteter Hardware geschrieben wurde, nicht portierbar oder mit Hardware der neuen Generation kompatibel ist. Dies behindert die digitale Transformation der britischen Fertigung und behindert Fähigkeiten, die die Effizienz hinter großen Kosten- und Zeitinvestitionen verbessern würden.

Die Antwort liegt im Übergang zur offenen Automatisierung, wie sie in der IT-Welt häufig vorkommt. Hersteller fordern Systeme, die softwarezentriert und hardwareunabhängig sind, sodass Anwendungscode portierbar ist und auf einer Vielzahl von Hardware aller Anbieter ausgeführt werden kann. Dadurch wird die Kommunikation zwischen verschiedenen Maschinen, Geräten und Sensoren ermöglicht, sodass Bediener effizienter arbeiten und mit weniger mehr erreichen können.

Dies kann durch die Übernahme des universellen Automatisierungsstandards IEC 61499 erreicht werden, der als Technologiegrundlage definiert, wie verteilte Anwendungen mithilfe von „Plug-and-Produce“-Softwarekomponenten unabhängig von der Hardware, auf der sie ausgeführt werden, entworfen werden können.

Der Standard wird von einer Gemeinschaft von Automatisierungsanwendern, Technologieanbietern und Akademikern geleitet, die über die gemeinnützige Organisation Universal Automation.Org das Spiel der Automatisierung verändern wollen.

Anlageningenieure, Systemintegratoren, OEMs oder alle an der Fertigungslieferkette beteiligten Personen, die Legacy-Systeme entwerfen, verknüpfen und unterstützen, können die enormen Ausgaben für die Wartung einzelner Anlagen reduzieren und gleichzeitig den Weg für kontinuierliche Verbesserungen ebnen.

Beispielsweise kommt es in einem ausgereiften Industriesektor wie der Lebensmittel- und Getränkeherstellung häufig zu einer Mischung aus neuen und alten Anlagen. Eine Herausforderung für Lebensmittelverarbeiter besteht darin, dass Verbraucher ihre Kaufentscheidungen auf mehreren Faktoren basieren und immer auf der Suche nach dem nächsten Produkt oder der nächsten Geschmacksrichtung im schnelllebigen Sektor sind.

Hersteller müssen flexibel und skalierbar sein, um auf die Anforderungen des Marktes reagieren zu können. Dies kann jedoch im Kampf gegen proprietäre Systeme unmöglich erscheinen. Offene Automatisierung ermöglicht dieses Maß an Flexibilität, da weniger Zeit für nicht wertschöpfende Aufgaben aufgewendet wird und mehr Zeit für Innovationen aufgewendet wird.

„Die Weiterentwicklung der Automatisierungsarchitekturen treibt Hersteller zu offenen, softwarezentrierten Systemen, die Flexibilität, Effizienz und Nachhaltigkeit ermöglichen.“

Dieses Beispiel kann auf Hersteller jeder Größe angewendet werden, die jedes Produkt herstellen, wie in unserem aktuellen Forschungsbericht mit dem Titel „Ein quantitativer Vergleich der digitalisierten Industrieautomation“ gezeigt. Dies umfasst die Ergebnisse von Feldtests, die zeigen, dass Software-Engineering durch offene Automatisierung für Standardproduktionsstrategien dreimal schneller durchgeführt werden kann und so die Flexibilität aktiv erhöht wird. 

Industrielle Automatisierungssysteme, die derzeit in der britischen Fertigung im Einsatz sind, wurden oft schon vor Jahrzehnten eingeführt. Sie halten Hersteller nun davon ab, das volle Potenzial der digitalen Transformation und die Fortschritte bei Technologien und Rechenleistung auszuschöpfen. Das Streben nach hardwareunabhängigen Plattformen bietet die Möglichkeit, industrialisierte PCs zur Ausführung betriebsbereiten Anwendungscodes zu nutzen.

Diese Entwicklung ermöglicht die Einführung von Soft-SPS oder Edge-Controllern, was die Konvergenz von IT und OT weiter vorantreibt. Doch selbst wenn Hersteller in Edge-Computing-Technologien investieren, um die Belastung durch das Sammeln, Analysieren und Berichten von Daten zu bewältigen, werden die Vorteile ohne einen offenen Automatisierungsansatz, der Daten auf einer einzigen agnostischen Plattform verarbeiten kann, begrenzt sein.

Digitalisierung von industriellen Automatisierungsarchitekturen

In der gesamten Branche können wir eine breite Einführung von IIoT-Technologien (Industrial Internet of Things) beobachten, die eine unmittelbare Verbesserung für Hersteller bieten, aber letztendlich werden viele davon abgehalten, das wahre Potenzial auszuschöpfen, weil sie nicht in der Lage sind, sich vollständig auf die Automatisierung zu konzentrieren.

Beispielsweise verringert das Hinzufügen eines Sensors zu einer Altanlage zur Datenerfassung in Echtzeit Ausfallzeiten durch die Unterstützung proaktiver Wartung, ist jedoch ohne Interoperabilität eingeschränkt.

Durch die gemeinsame Nutzung derselben Sensordaten über eine offene Automatisierungsplattform wird die Fähigkeit zur proaktiven Wartung durch den Zugriff auf Daten aus allen Quellen in der Anlage, neuen und alten, erweitert. Der Hersteller kann diesen einzigen digitalen Thread nutzen, um fundierte Geschäftsentscheidungen zu treffen, um Betriebszeit, Wartung und Energieverbrauch zu verbessern, ohne kostspielige Investitionen in neue kritische Anlagen zu tätigen.

Die Erschließung des Datenflusses in einer Produktionsanlage hat den Einsatz von mehr Geräten am Netzwerkrand vorangetrieben. Dadurch wird Rechenleistung in der Nähe der Anlagen bereitgestellt, um eine verteilte Architektur zu schaffen, die eine erhöhte Ausfallsicherheit, Verfügbarkeit und Wartbarkeit bietet.

Im Vergleich dazu sind herkömmliche große, zentralisierte Steuerungsarchitekturen weniger in der Lage, die Komplexität moderner Fertigungsprozesse zu bewältigen, insbesondere wenn diese Unternehmen auf Skalierung und Flexibilität achten.

Dies hat zu einem wachsenden Bedarf an physischen I/O geführt, der auf die datengesteuerte Zukunft vorbereitet sein muss. Ein zukunftsfähiges I/O-Angebot unterstützt die universelle Automatisierung durch die Verwendung offener Ethernet-Protokolle, um Konnektivität zu einer Vielzahl von Geräten und Architekturen für eine bessere Leistung und Verfügbarkeit bereitzustellen.

Dies bietet nicht nur kurzfristige Vorteile, sondern erfüllt auch das Versprechen einer universellen Automatisierung, indem es einen einheitlichen Rahmen für die gesamte Automatisierung schafft. Dies bedeutet, dass sich heute erstellte Architekturen mit zukünftigen Technologien weiterentwickeln können, wodurch Hersteller erneut in die Lage versetzt werden, jedes Element der digitalen Transformation frei zu erkunden.

Cybersicherheit für industrielle Automatisierungsarchitekturen

Jede industrielle Aktivität, die auf Datenkonnektivität angewiesen ist, bringt immer Bedenken hinsichtlich der Cybersicherheit mit sich, und diese sind nicht nur auf kritische Infrastrukturen beschränkt. Unternehmen jeder Größe geraten zunehmend ins Visier, und je mehr Hersteller Teil komplexerer Lieferketten werden, desto größer wird die Angriffsfläche.

So wie die universelle Automatisierung allumfassend ist, muss es auch die Cybersicherheit geben, mit einer Strategie, die Menschen, Technologie und Abläufe integriert. Nur weil der Datenfluss geöffnet wurde, heißt das nicht, dass es Datenschutzlücken geben muss, selbst bei Altanlagen, die möglicherweise über ausnutzbare Kontrollsysteme verfügen.

Dies hat den Bedarf an Lösungen erhöht, die nach dem Cybersicherheitsstandard IEC62443 zertifiziert sind, um potenzielle Schwachstellen in industriellen Systemen zu schützen und gleichzeitig klare Leitlinien zu den Verantwortlichkeiten auf jeder Ebene bereitzustellen.

Angesichts des Potenzials der universellen Automatisierung und der digitalen Transformation muss die Cybersicherheit über Prozesse und Verfahren hinaus berücksichtigt werden und jedes Asset oder Produkt umfassen, das dem Netzwerk hinzugefügt wird.

Durch die Dezentralisierung und die Einführung fortschrittlicher Funktionen können Hersteller einen sicheren Datenaustausch erreichen, der das Risiko verringert und die allgemeine Widerstandsfähigkeit verbessert, selbst wenn Cyber-Angriffe immer komplexer werden. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Hersteller, die die Vorteile einer universellen Automatisierung mit minimiertem Risiko nutzen und dabei stets die Anforderungen der Zukunft berücksichtigen und gleichzeitig unmittelbare Vorteile erschließen möchten.

„Offene Automatisierungsarchitekturen ermöglichen Interoperabilität und ermöglichen Herstellern die nahtlose Integration älterer und neuer Technologien für mehr Effizienz und Innovation.“

Hochverfügbarkeitsarchitektur

Ungeplante Ausfallzeiten stellen für Hersteller jeder Größe einen enormen Kostenfaktor dar. Der Bericht „Performance in Focus 2024“ zeigt, dass die durchschnittlichen stündlichen Ausfallkosten bei 5.471,95 £ liegen und den Bedarf an vorausschauender Wartung und der offenen Automatisierung, die sie ermöglicht, erhöhen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen und Hochverfügbarkeitsarchitekturen zu ermöglichen, bei denen Ausfallzeiten nicht toleriert werden können, können Hersteller eine Mischung aus Technologien wie Hot-Standby-Prozessoren, redundanten Switches, redundanten E/A, redundanten Netzteilen, Modul-Hot-Swapping, Change-Config-On-The-Fly (CCOFT), integrierter Fast Device Replacement (FDR)-Diagnose und Ringnetzwerktopologie verwenden.

Zukunft industrieller Automatisierungsarchitekturen

Offene und universelle Automatisierung stellt die Zukunft industrieller Architekturen dar und unterstützt Hersteller dabei, im Jahr 2025 mit weniger mehr zu erreichen. Der zukunftsorientierte Ansatz ermöglicht es Einrichtungen jeder Größe und Spezialisierung, kontinuierlich Innovationen und Optimierungen vorzunehmen, dabei weit über den Einsatz einzelner Technologien hinauszublicken und das volle Potenzial der digitalen Transformation auszuschöpfen. Die universelle Automatisierung spielt in der britischen Fertigung eine immer wichtigere Rolle, da das Unternehmen seine Abläufe weiter digitalisiert, um im globalen Wettbewerb bestehen zu können.   

FAQs:Industrielle Automatisierungsarchitekturen

Was treibt den Übergang zur offenen Automatisierung voran?
Hersteller benötigen flexible interoperable Systeme, die nicht an einen einzigen Anbieter gebunden sind

Was ist IEC 61499?
Ein Standard, der Plug-and-Produce-Softwarekomponenten unabhängig von spezifischer Hardware ermöglicht

Wie unterstützt offene Automatisierung die digitale Transformation?
Es ermöglicht die Verbindung älterer und neuer Systeme und ermöglicht so schnellere Upgrades und größere Innovationen

Was sind die Vorteile für Hersteller?
Reduzierte Ausfallzeiten, schnellere Softwareentwicklung, bessere Skalierbarkeit und verbesserte Effizienz

Warum ist eine hardwareunabhängige Architektur wichtig?
Dadurch kann derselbe Anwendungscode auf verschiedenen Geräten ausgeführt werden, was die Flexibilität erhöht und die Kosten senkt.

Was ist universelle Automatisierung?
Eine Bewegung, die offene interoperable Automatisierungssysteme fördert, die von einer globalen Gemeinschaft von Benutzern und Anbietern vorangetrieben werden

Wie unterstützt offene Automatisierung die vorausschauende Wartung?
Es gibt Echtzeitdaten von allen Geräten frei und ermöglicht so proaktive Wartungsentscheidungen

Wie können Hersteller die Cybersicherheit in offenen Systemen gewährleisten?
Durch die Einführung IEC 62443-zertifizierter Technologien und die Entwicklung durchgängiger Cybersicherheitsstrategien für alle Personenprozesse und Vermögenswerte

Welche Rolle spielt Edge Computing in modernen Architekturen?
Es verarbeitet Daten in der Nähe von Anlagen, verbessert die Geschwindigkeitsstabilität und verringert die Abhängigkeit von zentralisierten Systemen

Wie wirkt sich die offene Automatisierung auf die Ausfallkosten aus?
Es ermöglicht Hochverfügbarkeitsarchitekturen und Vorhersagestrategien, um teure ungeplante Ausfallzeiten zu minimieren