15.05.2018

OPC UA und Ethernet TSN

Industrielle Kommunikation auf neuem Level

Der Markt der industriellen Kommunikation wird von Ethernet-basierten Feldbussystemen dominiert. Obwohl sie ähnliche Anforderungen und Marktsegmente teilen, unterscheiden sich ihre Installation und Ökosysteme deutlich. Endkunden und Gerätehersteller müssen deshalb bisher Produkte mit einer Vielzahl von Technologien produzieren, betreiben, diagnostizieren, warten und auf Lager legen. Weil ein solcher Umgang mit mehreren Lösungen jedoch hohe Kosten erzeugt und die IoT-Fähigkeit begrenzt, wird der Kombination der Standards OPC UA und TSN als herstellerunabhängige Nachfolgetechnologie hohes Potenzial zugeschrieben.


Bild: Moxa Europe GmbH

Wie es aktuell um die Kombination von OPC UA und TSN steht, zeigt die Kooperation und ein gemeinsames Whitepaper von B&R, Schneider Electric, ABB , TTTech, General Electric, Huawei, Phoenix Contact, Intel, Bosch Rexroth, Cisco, Hirschmann, Moxa und Kalycito sowie dem Fraunhofer IOSB-INA auf. Demnach ist OPC UA TSN - sofern der richtige Funktionsumfang gewählt wird - in der Lage, sowohl die heutigen, als auch zukünftige Anforderungen der industriellen Kommunikation zu erfüllen. Gleichzeitig werden entsprechende Komponenten und Lösungen mittelfristig den Kostenvorteilen von Standard-Ethernet-Hardware entsprechen. Die TSN-Netzwerkinfrastruktur kann simultan alle Arten von industriellem Datenverkehr übermitteln, von harter Echtzeit bis best-effort Verkehr, während die individuellen Eigenschaften jeder Methode beibehalten werden. OPC UA in der jüngsten Pub/Sub-Entwicklungsstufe optimiert die Leistung in kleine Footprints, fügt ein Metamodell für die Beschreibung von Daten hinzu sowie eine Kommunikationsinfrastruktur für den Austausch und das Durchsuchen von Informationen. Zusätzlich hilft das eingebaute Sicherheitsmodell von OPC UA dabei, Systeme konform zu aufkommenden Standards wie IEC62443 umzusetzen. Die Kooperationspartner erwarten, dass OPC UA TSN schnell neue Spielregeln in der Industrieautomatisierung einführen wird - als erster und einziger Kandidat, der vom Sensor bis zur Cloud eine ganzheitliche Kommunikationsinfrastruktur erstellen kann.

Kommunikation heute

Heute wird die industrielle Kommunikation hauptsächlich noch gemäß der Automatisierungpyramide organisiert. Auf Computerebene werden Standard IT-Protokolle einsetzt. Für M2M- sowie Prozesskommunikation steigt die Bedeutung der Rolle von OPC UA (IEC62541) neben den traditionellen Ethernet-basierten M2M-Bussystemen deutlich an. In der der Maschine dominieren auf Geräte- und Sensorebene die Protokolle mit harter Echtzeitfähigkeit, z.B. Ethercat, Profinet IRT, Powerlink oder Sercos III. Obwohl sie gemeinsame Anforderungen teilen, unterscheidet sich ihre Umsetzung wesentlich. Weil die Vorteile stark von der geplanten Anwendung abhängen, ist es schwer, die jeweiligen Standards direkt zu vergleichen.

Bessere Zykluszeiten

Neben dem Profil- und Funktionsumfang, sind gerade für die Bewegungssteuerung die jeweiligen Leistungsdaten für die jeweilige Anwendung ausschlaggebend - vor allem die Zykluszeit. Sie kann als herausforderndste Maßeinheit gesehen werden. Die erzielbare Zykluszeit mit OPC UA TSN ist, verglichen mit den heutigen Lösungen über verschiedene Parameterkombinationen, ungefähr um den Faktor 18 niedriger. Verglichen mit hypothetischen Geräten mit Gigabit-Schaltung und basierend auf weiterhin nicht veränderten Mechanismen der heutigen Feldbustechnik liegt der Faktor dicht an 2.

Richtiger Funktionsumfang

Unternehmen, die neue Systeme für OPC UA TSN entwickeln, können aus der Vielzahl von TSN-Standards den passenden Funktionsumfang für ihre Anwendung auswählen. Das beinhaltet oft den Versuch, bestehenden Standards so weit wie möglich zu entsprechen. Hochgerechnet auf den Markt der Industrieautomatisierung bedeutet das, dass eine Lösung, damit sie weithin einsetzbar ist, alle aktuellen industriellen Datenverkehrstypen simultan unterstützen muss. Die heutigen Technologien setzen eine Vielzahl verschiedener Verkehrstypen ein. Die meisten davon ermöglichen eine Differenzierung zwischen periodischem und nicht periodischem Verkehr, die sich wiederum in den Nuancen ihrer tatsächlichen Eigenschaften unterscheiden - von harter Echtzeit mit eindeutigem Versenden über Übertragungs- und Empfangszeiten pro Zyklus und periodischen Verkehr mit oder ohne Zeitsynchronisierung bis hin zu nicht-periodischem Verkehr, der von einer Vielzahl von Quellen herrührt, wofür TCP/IP ein zunehmend bedeutsames Beispiel ist. In manchen Fällen haben Netzwerksteuerung, diagnostische Information und Steuernachrichten eindeutige Prioritäten. Die Arten von Datenverkehr, die über industrielle Kommunikationssysteme gesendet werden können, lassen sich zusammenfassen. Ein konvergentes Netzwerk muss alle diese Verkehrsarten unterstützen, auch wenn sie in einer bestimmten Anwendung nicht genutzt werden. Die Auswahl der Gestaltungsmechanismen für die Anwendung muss auf globaler Ebene standardisiert werden, ein momentan viel diskutierter Ansatz ist dabei die Kombination von OPC UA und Ethernet TSN. Dazu lässt sich anmerken, dass die Hauptfunktion von TSN darin besteht, eine Koexistenz verschiedener Verkehrstypen zu ermöglichen, während die zeitrelevanten Echtzeiteigenschaften erhalten bleiben. Manche bestehenden Echtzeit-Lösungen wie Ethernet/IP oder Profinet setzen die Planung von Verkehr und Quality of Service (QoS) ein, um Echtzeitverhalten unter Vorbehalt korrekt arbeitender Geräte zu garantieren. Mit TSN als Datenlinkebene können diese Standards von verbesserter Bandbreiteneffizienz profitieren, da TSN-Verkehr mit hoher Priorität bedingungslos schützt.

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Entwicklung und Engineering

Bei Automatisierungsanwendungen kommt das Engineering-Tool in der Regel vom Lieferanten der SPS. Die nahtlose Verschmelzung von IT und OT in Feldbusprojekte soll einen deutlichen höheren Grad der automatisierten Konfiguration erlauben als bisher - unabhängig vom Anbieter-Tool. Dadurch wird weniger menschliches Eingreifen erforderlich. Da OPC UA und TSN nicht an einen speziellen Lieferanten gebunden sind, ist zudem zu erwarten, dass das umgebende Ökosystem deutlich größer anwachsen wird, als bei Feldbussen in der Vergangenheit.

Fazit und Ausblick

OPC UA TSN wird die heutigen, Ethernet-basierten Feldbusse in einer Reihe von Anwendungen ersetzen. Die wichtigsten Gründe dafür sind:

  • • Herstellerunabhängigkeit
  • • Breiter Einsatz in anderen Feldern
  • • Konvergierte Netzwerke
  • • Große und flexible Topologien
  • • Volle IIoT-Fähigkeiten
  • • Hohe Leistung
  • • Integrierte Sicherheit
  • • Moderne Datenmodellierung

Die relevanten OPC-UA- und TSN-Standards für den industriellen Einsatz wurden bereits finalisiert, und die wenigen unveröffentlichten sollen in Kürze veröffentlicht werden. Die Standards wurden in internationalen Testanwendungen bereits von zahlreichen international Unternehmen mit erstaunlichen Ergebnissen geprüft. Aktuell erarbeiten die großen Chip-Hersteller ihre Angebote für die Konnektivität in Feldgeräten, um das Kostenniveau momentaner Lösungen erreichen zu können. Für Geräte mit einer Schnittstelle können Standard-Ethernet-NICs eingesetzt werden, insofern gibt es dort keine Kostendiskussion. Für Geräte mit zwei Schnittstellen sind die erwarteten Hardware-Kosten marginal, da TSN vermutlich in naher Zukunft integraler Bestandteil jedes wettbewerbsfähigen industriellen SoC werden wird.

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