Wird sich TSN als Standard in der Automatisierungswelt etablieren? Mit TSN zu besseren Echtzeiteigenschaften - wirautomatisierer

Wird sich TSN als Standard in der Automatisierungswelt etablieren?

Mit TSN zu besseren Echtzeiteigenschaften

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Eines der viel diskutierten Themen während der SPS IPC Drives im November war der IEEE-Standard TSN (Time-Sensitive Networking), der zukünftig unter anderem dafür sorgen soll, dass OPC UA echtzeitfähig wird und Publisher/Subscriber-Funktionalitäten erhält. Über den aktuellen Stand der Entwicklung diskutieren zehn Experten aus der Automatisierungsbranche im aktuellen Trendinterview .

Die Fragen stellte Andreas Gees,stellvertretender Chefredakteur elektro AUTOMATION

elektro AUTOMATION: OPC UA ist mittlerweile eine etablierte Kommunikations-Technologie in der Automatisierung; Ethernet TSN soll bis Ende 2017 vom IEEE standardisiert sein. Welche Gründe sprechen für TSN und dafür, OPC zukünftig darauf aufsetzen zu lassen?
Auberg (Softing): Offenes IP-basiertes Ethernet ist zwar sehr leistungsfähig und flexibel, aber in seiner Grundstruktur nicht deterministisch. Verschiedene Parameter wie die Netzlast, die Topologie oder die Anzahl der mit dem Netz verbundenen Geräte können schnell dazu führen, dass sehr große Datenmengen über das Netzwerk transportiert oder dass Datenanforderungen eines Clients nur langsam erfüllt werden. Durch die Nutzung einer gemeinsamen Zeitbasis sowie eines konfigurierbaren Schedulings zwischen Netzkomponenten stellt TSN (Time-Sensitive Networking) nach dem Standard IEEE 802.1 den notwendigen Determinismus zur Verfügung. Darauf aufsetzend kann OPC UA künftig nicht nur in Informationssystemen, sondern auch bei kritischen Automatisierungsaufgaben zum Einsatz kommen.
Goldstein (Beckhoff): Durch die Einbeziehung namhafter Unternehmen aus der IT-Netzwerkindustrie und dem Automotive-Bereich ist eine gute Grundlage für die Verbreitung von TSN gelegt worden. Der Gedanke, Ethernet-basierte Netzwerke deterministisch(er) zu machen, hilft auch einer überlagerten Kommunikationstechnologie wie OPC UA, Daten schneller und deterministischer zu übertragen. Eine einfache Konfiguration der Netzwerkgeräte vorausgesetzt dürfen wir sehr gespannt auf die Erträge aus den diversen Arbeitsgruppen zu diesem Thema sein.
Hoppe (OPC Foundation): OPC UA aufgesetzt auf TSN ermöglicht es bei SOA-Aufrufen, die Laufzeit zwischen Geräten und Diensten genau zu kalkulieren. Beispielszenarien: Eine Steuerung kann eine Bildauswertung in einer OPC-UA-fähigen Kamera anstoßen und die Ergebnisse in späteren SPS-Zyklen behandeln. Oder: Steuerungssysteme verschiedener Hersteller mit verschiedenen Feldbussystemen können nun einen horizontalen, schnellen und vor allem standardisierten Austausch von Daten vornehmen.
Kehrer (Belden/Hirschmann): Die IEEE Time Sensitive Networking Task Group hat ihre Arbeit Ende 2012 aufgenommen. Ziel der Aktivitäten ist es, die Standards, die in der Audio Video Bridging Task Group (AVB) für den Audio- und Video-Markt definiert wurden, so weiterzuentwickeln, dass Ethernet-Kommunikation mit TSN einen Grad an Determinismus erreicht, der den Anforderungen aus modernen Steuerungsnetzwerken der Industrieautomatisierung und der Automobilindustrie gerecht wird. Dabei handelt es sich bei TSN nicht um einen einzelnen Standard, sondern vielmehr um eine Gruppe von Standards. Diese decken verschiedene Aspekte aus den Bereichen der Echtzeitkommunikation und Zuverlässigkeit ab. Diese Aufteilung ermöglicht es, die verschiedenen Anforderungen von Anwendungen aus der Industrie sowie ihren jeweiligen Fokus auf deterministische Kommunikation, Ausfallsicherheit und Kosten bedarfsgerecht zu bedienen. Je nach Anwendungsprofil kann es genügen, Geräte einzusetzen, die nur einen Teil der TSN-Standards realisieren. Diese Flexibilität in der Anwendung von TSN ist optimal für das Automatisierungsumfeld geeignet. Ein Vorteil davon, OPC UA auf TSN aufsetzen zu lassen ist es, dieser bereits im Automatisierungs-Umfeld weit verbreiteten Kommunikations-Technologie eine offene, standardisierte und nicht-herstellerspezifische Technologie als Basis auf der Transportebene bereit zu stellen. Diese Kombination erlaubt es, auch Anwendungen mit höchsten Ansprüchen an deterministisches Kommunikationsverhalten mit Ethernet zu realisieren, ohne dabei an ein herstellerspezifisches Ökosystem aus Kommunikationskomponenten gebunden zu sein. Die damit einhergehenden Vorteile wie Flexibilität und geringe Kosten werden eine starke Verbreitung von TSN und OPC UA in industriellen Anwendungen ermöglichen.
Lutz (Sercos): Ethernet TSN macht erstmals eine zeitgesteuerte Übertragung echtzeitkritischer Nachrichten über Standard-Ethernet-Komponenten möglich. Die Vorteile der Verwendung von Ethernet TSN liegen auf der Hand: es kann eine Standard-Ethernet-Hardware mit integrierter Echtzeitfähigkeit eingesetzt werden, was sich in niedrigen Kosten und einem breiten Hersteller- und Produktangebot niederschlagen würde. Die Echtzeitfähigkeit von Ethernet TSN ist für OPC UA interessant, da der Kommunikationsstandard OPC UA dadurch auch in zeitkritischen Applikationen eingesetzt werden kann. Dadurch erschließen sich für OPC UA neue Anwendungs-gebiete.
Munz (Kuka): OPC UA ist ein Client-Server-Protokoll, das auf TCP aufsetzt und daher grundsätzlich nicht echtzeitfähig mit deterministischen Antwortzeiten im Sub-Millisekunden-Bereich ist. Alle Geräte auf Steuerungs-Ebene (SPSen, Robotersteuerungen, Prozess-Steuerungen, etc.) in einem Industrie-4.0-Szenario werden sowieso über Ethernet-Netzwerke verbunden sein, um mit MES/ERP/Cloud-Systemen kommunizieren zu können. Daher ist es naheliegend, diese sowieso bestehenden Kommunikationsverbindungen auch zur Peer-to-Peer- bzw. Quer-Kommunikation von Steuerungen einzusetzen. Dies wird heute über herkömmliche Feldbusse realisiert, die jedoch für diesen Einsatzfall nie gedacht waren, sondern zur E/A-Kommunikation ins Feld. Die Peer-to-Peer-Kommunikation von Maschinen macht jedoch nur dann Sinn, wenn die Kommunikation einen Determinismus im Sub-Millisekunden-Bereich garantieren kann. Deswegen muss OPC UA um diese Eigenschaft erweitert werden. Dazu hat sich eine Arbeitsgruppe innerhalb der OPC Foundation gebildet, die daran arbeitet.
Quendt (Siemens): Im Rahmen der IEEE 802.1 werden derzeit mehrere Standards für das sogenannte Time Sensitive Networking definiert. Ziele von TSN sind unter anderem garantierte Übertragungslatenz und eine hohe Verfügbarkeit für Echtzeitdaten, die sich mit dem normalen Datenverkehr (Best Effort) ein Kommunikationsnetzwerk teilen. Profibus & Profinet International (PI) hat mit dem Ethernet-basierten Kommunikationsstandard Profinet diese Konvergenz von garantiertem Echtzeit-Traffic mit Best-Effort-Traffic bereits seit Jahren im Einsatz. Die Chance bei TSN besteht vor allem darin, dass künftig namhafte Halbleiterhersteller für eine große Verbreitung dieser in der IEEE definierten Basismechanismen durch Standard-TSN-Chips sorgen dürften. Davon können dann Kommunikationsstandards wie zum Beispiel Profinet oder auch OPC UA profitieren. Bei OPC UA ist die Ausgangssituation aber eine andere: Hier geht es zunächst darum, ein echtzeitfähiges Protokoll zu spezifizieren. TSN bietet sich hier als nützlicher Basismechanismus für die Echtzeit an. Die OPC Foundation evaluiert TSN bezüglich eines zukünftigen Einsatzes für Publish/Subscribe.
Sasse (Bosch Rexroth): Industrie 4.0 benötigt offene Standards und Schnittstellen, damit sich Komponenten, Module und Maschinen verschiedener Hersteller horizontal auf der Maschinenebene und vertikal mit der Unternehmens-IT vernetzen lassen. Für die vertikale Vernetzung hat sich OPC bereits als Quasi-Standard für Industrie 4.0 durchgesetzt. Durch seine Plattformunabhängigkeit, wichtige Features wie Security, dem offenen Datenmodell und der bereits vollzogenen Migration wesentlicher Kommunikationsstandards wird OPC UA die Basis für SOA-basierte Architekturen schaffen. Es ist damit folgerichtig, diesen Weg eines offenen Ethernet-basierten Kommunikationsstandards im Rahmen der Standardisierung von TSN weiter zu folgen. Seitens Bosch Rexroth sehen wir dies als evolutionäre Weiterentwicklung der bereits heute verfügbaren Technologien und Lösungen.
Schönegger (B&R): Mit OPC UA TSN schlagen wir die Brücke zwischen der IP-basierten IT-Welt und Protokollen für harte Echtzeitanforderungen wie Powerlink. Mit TSN wird OPC UA die perfekte Lösung für alle Applikationen in der Fabrikautomatisierung oberhalb der Maschinenebene mit weichen Echtzeit-Anforderungen. Dazu gehören Aufgaben wie die Liniensynchronisation, Anbindung von Scada-Systemen bis zur Lösung einfacher Steuerungsaufgaben oder auch der Betrieb von Förderbändern. Dabei geht es um Performance-Anforderungen von 2 bis 10 ms. Ein großer Vorteil von TSN ist, dass auch die Automobilbranche auf diesen Standard setzt. Damit werden die nötigen Halbleiter-Baugruppen sehr schnell und vergleichsweise kostengünstig verfügbar sein.
Wilmes (Phoenix Contact): Mit TSN kann ein Standard entstehen, der je nach Netzwerkumgebung sehr gute oder verbesserte Echtzeiteigenschaften in ein Ethernet-Netzwerk integriert. TSN versucht dabei, die Netzwerke möglichst kompatibel und transparent zu erweitern. Der Ansatz ist zudem gut skalierbar, ohne überlagerte Applikationen zu beeinflussen. TSN wird von internationalen Chip-Herstellern unterstützt und herstellerübergreifend in die IEEE-Standards eingebracht. Aus Sicht der überlagerten Protokolle erweist sich der Ansatz als interessant, da er lediglich wenige Parameter aus den Applikationsschichten benötigt, um die Echtzeiteigenschaften zu optimieren. Hiervon profitieren prinzipiell nicht nur OPC UA, sondern auch andere Ethernet-basierte Protokolle wie Profinet RT. Allerdings zielt TSN im ersten Schritt nicht primär auf die Automatisierungstechnik ab, denn die anvisierten Stückzahlen sind hier zu gering. Daher werden die in der heterogenen Automatisierungstechnik über die integrierte Engineering-Kette geforderten wichtigen Anforderungen wie Offline-Netzkonfiguration und Online-Netzdiagnose nicht ausreichend berücksichtigt. Welcher Hersteller würde übergreifend auch für Fremdgeräte in der Planungsphase sicherstellen, dass das heterogene Netzwerk prinzipiell schnell genug arbeiten wird? Und welcher Hersteller kann im Fehlerfall geräteübergreifend die Ursache detektieren? Trotzdem spricht viel für eine genauere Betrachtung von TSN. Dabei gibt es aus Sicht der Automatisierungs-Applikationen lediglich zusätzliche Fragen, die im Rahmen weiterer Spezifikationen überprüft werden müssen.
elektro AUTOMATION: Zur Diskussion steht zurzeit außerdem ein neuer Publish/Subscribe-Mechanismus innerhalb dieser IEEE-Substandards, der eine sogenannte One-to-Many-Kommunikation ermöglichen und die Punkt-zu-Punkt-Verbindung von OPC ersetzen soll. Welche Vorteile bringt diese Funktionalität für die Automatisierung?
Auberg (Softing): OPC UA bildet als IEC-Standard (IEC 62541) das Rückgrat für Industrie-4.0-Anwendungen und erlaubt eine sichere, unternehmensweite Kommunikation auf allen Ebenen – vom ERP-System bis zum intelligenten Feldgerät. Allerdings handelt es sich hier immer um eine reine Client/Server-Architektur, in der Server ihre Daten Clients in festen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zur Verfügung stellen. Mit der Publisher/Subscriber-Erweiterung kann OPC UA jetzt Vielfach-Kommunikationsbeziehungen (von einem Teilnehmer an viele bzw. von vielen Teilnehmern an viele) zwischen Automatisierungsgeräten aufbauen. Diese Form der Kommunikation setzt auf UDP auf und stellt einen wesentlichen Performancegewinn dar. In der Kombination mit TSN ist OPC UA Publisher/Subscriber dann auch eine gute Alternative zu den bisher eingesetzten industriellen Ethernet-Protokollen und kann auch in anspruchsvollen Automatisierungslinien zum Einsatz kommen.
Goldstein (Beckhoff): Die zukünftige Erweiterung von OPC UA durch Publisher/Subscriber-Mechanismen ermöglicht durch die daraus resultierende Entkopplung von Client- und Serveranwendung eine Vielzahl neuer Anwendungsszenarien. Gerade im Bereich der Datenkommunikation über vielleicht sogar geografisch verteilten Steuerungssystemen müssen immer häufiger IT-Infrastrukturen berücksichtigt werden, wie Firewalls oder Router. Durch die Verwendung eines Nachrichtenbrokers als zentrale Vermittlungsstelle zwischen den OPC-UA-Geräten müssen diese Geräte nicht mehr zwangsläufig direkt miteinander kommunizieren. Vielmehr können sie sich durch rein ausgehende Kommunikationsverbindungen einfach auf bestimmte Inhalte beim Nachrichtenbroker anmelden oder Nachrichten an den Broker verschicken, damit andere Systeme sie empfangen können. Dies bedeutet aus Sicht der OPC-UA-implementierenden Steuerung auch einen erhöhten Level der Security, da keine eingehenden Netzwerkports auf der Steuerung mehr geöffnet werden müssen, um eine Kommunikation mit anderen Geräten zu ermöglichen.
Hoppe (OPC Foundation): Der reine Vergleich von OPC UA mit einem Protokoll passt nicht, da OPC UA mehr bietet als nur den Datentransport: Daten und Dienste können geräte- und branchenspezifisch definiert werden und Submengen davon mit Zugriffsrechten für verschiedenen Nutzerrollen zugänglich gemacht werden. Weiterer wichtiger Aspekt ist die ‚Security by Design‘, welche Authentifizierung, Signierung und Verschlüsselung bietet. Die reine OPC-UA-Transportschicht ist erweiterbar, neben TCP und http wird es aktuell mit Pub/Sub und AMQP erweitert. Diese Offenheit ermöglicht es Anwendern, ihre OPC-Investitionen für die Zukunft zu sichern aber auch kommende Protokolle zu unterstützen. Die Erweiterung des IEC-Standards OPC UA mit IEEE-Transportstandards ist also machbar.
Kehrer (Belden/Hirschmann): Bereits die TSN-Vorgängertechnologie AVB setzt für die Aushandlung und Registrierung von Kommunikationsströmen ein Publisher/Subscriber-Modell auf der Ethernet-Transportebene ein, das Stream Reservation Protocol (SRP). Dieses Protokoll wird für die Verwendung in TSN konsequent weiterentwickelt und steht allen Anwendungen auf den höheren Protokollschichten zur Verfügung. Mittels SRP lassen sich sowohl One-to-One- als auch One-to-Many-Kommunikationsbeziehungen realisieren. Zusätzlich ermöglicht das SRP den flexiblen Auf- und Abbau von Kommunikationsbeziehungen während des laufenden Betriebs. Um diesen Auf- und Abbau an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anzupassen, kann diese Flexibilität innerhalb von festgesetzten Parametern wie beispielsweise maximale Ende-zu-Ende-Latenz oder unter Berücksichtigung der physikalischen Netzwerktopologie festgelegt werden. So lassen sich auch moderne, dynamische Kommunikationskonzepte realisieren, wie sie beispielsweise im Kontext von Industrie-4.0-Anwendungen diskutiert werden. Die aktuellen Aktivitäten in der OPC-UA-Publisher/Subscriber-Gruppe zielen darauf ab, diese Flexibilität auch für OPC UA optimal nutzbar zu machen. Um das zu erreichen, werden hier im Moment Mechanismen definiert, die es OPC UA erlauben werden, zusätzlich zu den schon unterstützen Peer-to-Peer-Verbindungen zukünftig auch One-to-Many-Kommunikationsbeziehungen zu nutzen.
Lutz (Sercos): Mit der Einführung eines Publish/Subscribe-Mechanismus lassen sich Kommunikationsbeziehungen sehr viel flexibler gestalten. Gleichzeitig kann die Protokolleffizienz von OPC UA verbessert und die zur Verfügung stehende Bandbreite des unterlagerten Netzwerkes optimaler genutzt werden. Damit wird OPC UA auch als Kommunikationsprotokoll für die Steuerungs- und Feldebene attraktiv. Doch auch Cloud-basierte Anwendungen, die im Zuge von Industrie 4.0 eine zunehmend wichtige Rolle spielen, profitieren von diesen ‚One-to-Many‘-Kommunikationsmechanismen. Die geplanten Protokoll-Erweiterungen für OPC UA leisten somit einen sehr wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Durchgängigkeit und der Konvergenz von Informations- und Automatisierungstechnologien.
Munz (Kuka): Mit TCP/IP, auf welchem das bestehende OPC UA basiert, ist kein Determinismus im Sub-Millisekunden-Bereich möglich. Deswegen muss für Echtzeit UDP/IP oder der MAC-Layer von Ethernet direkt verwendet werden. UDP/MAC wiederum haben keine eingebaute Sicherungsschicht, weswegen die Telegramme zyklisch wie bei herkömmlichen Feldbussen mit einer bestimmten Zykluszeit wiederholt werden müssen. Wie bei den Feldbussen (z.B. Ethercat) wird das zyklische Prozessdatenabbild ebenfalls von einem Master an alle Slaves versendet, die sich dann ihren Datenanteil aus dem gesamten Abbild herausfischen. Dieses Gedankengut kann dank Pub/Sub 1:1 beibehalten werden. In der Automatisierung ist es außerdem oft notwendig, dass zum Beispiel die Informationen eines Sensors nicht nur an einen einzigen Datenempfänger geschickt werden sollen, sondern dass mehrere Empfänger an diesen Daten Interesse haben. Jeder an den Daten interessierte Empfänger ‚subscript‘ einfach das gewünschte Datum und der Publisher des Sensors sorgt automatisch dafür, dass alle interessierten Teilnehmer die Daten erhalten. Zusammen mit der Pub/Sub-Erweiterung wird auch ebenfalls festgelegt, wie OPC-UA-Daten mittels des Cloud-Protokolls AMQP direkt in die Cloud kommuniziert werden können. Die Pub/Sub-Eigenschaft ist hierfür ebenfalls sehr hilfreich.
Quendt (Siemens): Die Erweiterung von OPC UA um den Publish/Subscribe-Mechanismus ist nicht Gegenstand der IEEE. Die Peer-to-Peer-Verbindung bzw. Client/Server-Architektur von OPC UA bleibt weiterhin fester und wichtiger Bestandteil. Bei der Publish/Subscribe-Erweiterung von OPC UA geht es vor allem um zwei neue Anwendungsfälle: Die Anbindung von Geräten aus der Automatisierung an Cloud-Applikationen über Advanced-Message-Queuing-Protocol-basierte Kommunikation (AMQP) sowie um die Kommunikation über UDP-Multicast. Dadurch können von einem Gerät mehrere Nutzer mit deutlich reduziertem Aufwand mit Daten versorgt werden. Dies sind sinnvolle und notwendige Erweiterungen, um die vorgesehenen Anwendungen umsetzen zu können.
Sasse (Bosch Rexroth): Maschinen, die mit unterschiedlichen Echtzeit-Netzwerken betrieben werden, lassen sich aufgrund der inkompatiblen Standards nicht einfach zusammenschalten. Für die Übertragung von Echtzeitsignalen kommen heute entweder Slave/Slave-Koppler zum Einsatz oder der Maschinenbetreiber schreibt einen Steuerungshersteller vor. Mit Hilfe von OPC UA Pub/Sub ist es dann möglich, eine Multi-Vendor-Anlage synchron zu starten. Der Vorteil liegt also darin, dass Anlagenbetreiber bei der Auswahl von Best-in-Class-Maschinen flexibler sind und auf diesem Weg weitere Produktivitätssteigerungen realisieren können.
Schönegger (B&R): OPC UA arbeitet bisher mit einem Client/Server-Mechanismus. Ein Client fragt eine Information an (Request) und erhält eine Antwort von einem Server (Response). Dieses System stößt unter anderem dann an seine Grenzen, wenn bestimmte Informationen zu einem definierten Zeitpunkt bei verschiedenen Clients ankommen oder sehr viele Kommunikationsbeziehungen bedient werden müssen. Das Publish/Subscribe-Modell hingegen ermöglicht eine One-to-many- sowie eine Many-to-many-Kommunikation. Ein Server sendet seine Daten in das Netzwerk (Publish) und jeder Client kann diese Daten empfangen (Subscribe). Zudem kann ein exaktes Zeitfenster angegeben werden, in dem Daten übertragen werden. Der Publish/Subscribe-Mechanismus ist zwingend notwendig, um Daten über OPC UA in der notwendigen Echtzeit zu übertragen.
Wilmes (Phoenix Contact): Das Publisher/Subscriber-Modell entkoppelt die Konfiguration des Senders und des Subscribers. Der Sender kennt die Informationen, die er liefern kann. Der Subscriber weiß wiederum, welche Daten seine Applikation benötigt. Daher sinkt die Server-Belastung, die durch viele angemeldete Client-Sessions entsteht. Die Netzlast lässt sich ebenfalls reduzieren. Das One-to-Many-Szenario erweist sich beispielsweise bei der Diagnose als interessant. So können Diagnose-/Statusinformationen einfach im Netzwerk verteilt werden. Der Client-/Server-Ansatz wird jedoch nicht durch das Publisher-/Subscriber-Modell ersetzt, sondern vielmehr ergänzt. Denn beide Verfahren haben ihre Vorteile. Letztendlich wird der Anwender in der Oberfläche nur ein Häkchen setzen müssen, wie die Kommunikation in der jeweiligen Applikation ablaufen soll.
elektro AUTOMATION: Wie lassen sich zukünftig mit Ethernet TSN auch extrem schnelle Echtzeit-Anwendungen realisieren? OPC UA hätte mit der Erweiterung um TSN das Zeug, die konventionelle Feldbustechnik in vielen Applikationen zu ersetzen. Wie sehen Sie die zukünftige Entwicklung?
Auberg (Softing): Die Entscheidung, ob ein Feldbus oder OPC UA zum Einsatz kommt, hängt immer vom jeweiligen Szenario ab. Ethernet-Feldbusse wie Profinet spielen ihre Stärken in der schnellen, zyklischen Kommunikation zwischen einer Steuerung und zugeordneten Geräten aus, besonders wenn isochrone Zykluszeiten unter 1 ms gefordert sind. Ein Nachteil dieser Systeme ist die Kommunikation zwischen Steuerungen. Hier bieten Ethernet-Feldbusse Abhilfen, die aber nicht immer einfach einzusetzen sind. OPC UA als typische Kommunikation zwischen Steuerungen und der Leitebene spielt hier seine Stärken aus. Über die Verwendung des Publisher/Subscriber-Modells in Verbindung mit TSN können Steuerungen auch in großen Automatisierungslinien über eine standardisierte Infrastruktur synchronisiert werden. Mit der zunehmenden Umsetzung von Industrie-4.0- und Internet-der-Dinge-Anwendungen wird OPC UA auf dieser Basis seinen Zugang auch zu intelligenten Feldgeräten finden, die sicher in die unternehmensweite Kommunikation eingebunden werden müssen.
Goldstein (Beckhoff): Die Stärke von Feldbussystemen wie Ethercat besteht im hochperformanten, streng deterministischen Transport von Prozessdaten im unteren Mikrosekunden-Bereich. Aktuell gehen wir davon aus, dass OPC UA, basierend auf TSN, keine Echtzeitfähigkeit in diesem Bereich anstrebt. Wir sehen den Vorteil dieser Technologiekombination eher bei Steuerungsanwendungen mit Echtzeitanforderungen im Millisekunden-Bereich. Der Austausch von Prozessdaten zwischen Maschinenmodulen für eine Linienintegration ist ein gutes Beispiel für eine solche Anwendung.
Hoppe (OPC Foundation): Die OPC Foundation (und auch diejenigen OPC-Mitglieder, die aktiv die Kombination OPC UA & TSN pushen) verfolgt explizit nicht das Ziel, konventionelle Feldbustechnik zu ersetzen. Feldbussystems sind hochgradig optimiert für den deterministischen Transport von binären und analogen Daten im Zeitbereich unter 1 ms oder 1 µs. Experten gehen heute davon aus, dass OPC UA mit TSN maximal bis 2 ms Echtzeitfähigkeit bieten wird – Feldbussysteme sind schneller und somit für schnelle optimierte Regelungsanwendungen besser geeignet. In Applikationen mit einer Echtzeitanforderung von 5 ms und größer wird es zu Verschiebungen hin zu OPC UA mit TSN kommen. Die OPC Foundation kooperiert mit den Feldbusherstellern; explizit wurden MoUs (Memorandum of Understandings) mit den Organisationen von Ethercat, Profinet, Powerlink und Sercos abgeschlossen.
Kehrer (Belden/Hirschmann): Mithilfe einer in TSN zum Einsatz kommenden Technologie können registrierte Datenströme in Ethernet-Netzwerk in festen Zyklen nahezu verzögerungsfrei transportiert werden (IEEE P802.1Qbv). Dabei ist der Datenstrom vor störenden Einflüssen durch anderen Netzwerkverkehr geschützt. Dieses Verfahren erlaubt es, zusammen mit einer hochpräzisen Zeitsynchronisation der Netzwerkkomponenten (IEEE P802.1AS-Rev bzw. IEEE 1588), Daten mit minimaler Latenz und einem minimalen Jitter zu übertragen. Hierdurch ist es möglich, auch sehr schnelle Echtzeitanforderungen mit höchsten Ansprüchen an die deterministische Auslieferung von Daten zu realisieren. OPC UA hat, im Zusammenspiel mit TSN, hier in der Tat ein sehr großes Potential, um in Anwendungen zum Einsatz kommen zu können, die heute nicht durch IEEE-802-Ethernet bedient werden können. Der optimale Ansatz für eine Nutzung von TSN besteht an dieser Stelle aber nicht unbedingt darin, Applikationen mit konventioneller Feldbustechnik zu ersetzen. Vielmehr bietet TSN die Möglichkeit, Anwendungen, in denen heute proprietäre Echtzeit-Ethernet-Technologien zum Einsatz kommen, zukünftig auf dem Layer 2 des OSI-Modells mit einer standardisierten Technologie zu betreiben. Dies hat für den Anwender verschiedene Vorteile: er kann z.B. kostengünstigere Standardkomponenten, Komponenten verschiedener Hersteller in der Applikation oder integrierte TSN-Fähigkeiten nutzen; auch in preissensitiven Endgeräten. Ob langfristig Ethernet mit TSN auch Einzug in Bereiche halten wir, die heute von den klassischen Feldbussen besetzt sind, wird der Markt entscheiden.
Lutz (Sercos): Anspruchsvolle Anwendungen in der Automatisierungstechnik erfordern Bussysteme mit höchster Protokolleffizienz und sehr niedrigen Zyklus- und Durchlaufzeiten. Diesen Anforderungen können auch weiterhin nur optimierte Feldbussysteme wie Sercos III in vollem Umfang gerecht werden. Der Multiprotokollansatz von Sercos III erlaubt jedoch, OPC UA über eine gemeinsame Netzwerkinfrastruktur zu übertragen. Damit wird bereits heute ein transparenter und durchgängiger Zugriff auf prozess- und produktionsrelevante Informationen über OPC UA möglich, ohne dabei auf eine sichere und echtzeitfähige Maschinenkommunikation verzichten zu müssen. Für weniger performante Bussysteme jedoch erwächst mit OPC UA TSN eine ernstzunehmende Konkurrenz. Es bleibt zu hoffen, dass OPC UA TSN nicht zu einer weiteren Diversifizierung der Buslandschaft in der Automation führt, sondern zu einer Harmonisierung beitragen kann, zum Wohle der Anwender und Anbieter.
Munz (Kuka): Die Möglichkeit, dass OPC UA/TSN die herkömmlichen Feldbusse ersetzen kann, ist technisch in der Tat gegeben. Dies wird jedoch aus mehreren Gründen nicht schnell passieren: Einige Feldbusse haben spezifische Eigenschaften, welche auch von OPC UA mit TSN nicht abgedeckt werden können. Ethercat z.B. hat durch dessen Summenrahmenverfahren die Fähigkeit, sehr viele Teilnehmer im Feld mit einem einzigen Telegramm mit Daten zu versorgen und die Antworten von dort abzuholen. Mit TSN bleiben das viele einzelne Telegramme. Die Feldbusse haben zudem bereits seit Langem verbreitete Geräteprofile, welche für OPC UA mit TSN zuerst einmal neu geschaffen werden müssen. Wobei hier der Trend von Vorteil ist, dass bisher vier Feldbusvereine angekündigt haben, ihre Feldbustechnologie auch durch die Informationsmodelle von OPC UA zu unterstützen, was ein Übernehmen der Profile vereinfacht. Es gibt sehr viele am Markt bestehende Produkte,die die herkömmlichen Feldbusse nutzen. Falls diese mit OPC UA/TSN verwendet werden sollen, müssen sie zuerst umdesignt und erneut im Markt eingeführt werden. Da die fertigen Spezifikationen zu OPC UA Pub/Sub und TSN frühestens in 2017 erwartet werden, wird dies sicher noch viele Jahre in Anspruch nehmen. Dass die herkömmlichen Feldbusse nicht komplett durch OPC UA mit TSN ersetzt werden können liegt auch daran, dass in unserer Branche die Langlebigkeit von einmal eindesignten und verbreiteten Produkten sehr hoch ist. So werden heute z.B. immer noch mehr Geräte mit Profibus verkauft als mit Profinet. In völlig neuen Projekten wird zwar bevorzugt Profinet verwendet, aber es gibt sehr viele bestehende Projekte, in denen die grundlegenden Technologien einfach immer weiter verwendet werden.
Quendt (Siemens): TSN ist über die vorgesehenen Mechanismen wie Zeitsynchronisation, Preemption (Unterbrechung langer Frames) oder Time Aware Scheduler potenziell für harte Echtzeitanforderungen geeignet. Darüber hinaus bietet TSN durch die Nutzung verschiedener Übertragungsraten im GBit/s-Bereich auch die Möglichkeit, größere Datenmengen performant auszutauschen. Die heute im OPC-UA-Umfeld auftretenden Szenarien betreffen überwiegend die vertikale Kommunikation von Geräten aus der Feld- und Controllerebene hin zu HMI/Scada- und MES-Systemen oder auch künftig in die Cloud. Bezüglich Echtzeitfähigkeit bestehen kaum Anforderungen. Wichtig ist, dass diese Kommunikation parallel zur zyklischen Feldbuskommunikation laufen kann, was zum Beispiel bei Profinet der Fall ist. In der horizontalen Maschinen-Maschinen-Kommunikation wird OPC UA neben Ethernet-basierten Feldbussen künftig eine Rolle spielen – aber mit moderaten Echtzeitanforderungen im Millisekunden-Bereich. OPC UA als performanten zusätzlichen Feldbus weiterzuentwickeln macht dagegen keinen Sinn: Diagnose, Motion, Safety, Engineering, Profile – das alles sind Themen, die in Standardisierungsgremien erst noch spezifiziert und entwickelt werden müssten. Das haben Ethernet-basierte Feldbusse wie etwa Profinet längst gelöst. Die Millionen eingesetzter Geräte beweisen das. Deshalb sehen wir in OPC UA nicht einen Feldbusersatz, sondern eine sinnvolle Ergänzung zu bestehenden Feldbussystemen.
Sasse (Bosch Rexroth): Industrie 4.0 hat das Ende proprietärer Systeme eingeläutet. TSN und OPC UA bieten hier eine sehr gute Chance für eine evolutionäre Weiterentwicklung. Gerade mit Blick auf die Vernetzung kompletter Fertigungslinien ist es zielführend, das universell einsetzbare OPC-UA-Protokoll durch einen herstellerübergreifenden Standard für die Echtzeitkommunikation zu ergänzen. Es ergeben sich damit neue und schlanke Lösungsmöglichkeiten für den Maschinen- und Anlagenbau. Bosch Rexroth hat schon immer auf offene, herstellerunabhängige Industriestandards gesetzt und diese auch aktiv mitentwickelt. Deshalb haben wir uns von Beginn an bei OPC UA engagiert und gestalten nun auch die Integration von TSN in OPC UA aktiv mit. Die heute noch bestehende Lücke in der Echtzeitfähigkeit füllen wir bei Bosch Rexroth durch einen Sercos Companion im OPC-UA-Informationsmodell. Dieser vereint über die Basis-Architektur von Sercos zur Integration offener DCP/IP-basierter Kommunikationsstandards beide Protokolle auf einem Medium. Maschinenhersteller können so transparent auf sämtliche Gerätedaten und -funktionen der Steuerungen zugreifen. Für Automatisierungsaufgaben mit hohen Echtzeitanforderungen bleibt Sercos unverändert eine ideale Lösung. Als Vision ist es durchaus denkbar, dass einige der etablierten Echtzeit-Ethernet-Systeme in dieser Lösung aufgehen – genau dann, wenn sich Vorteile für den Anwender ergeben.
Schönegger (B&R): Die Erweiterung von OPC UA auf die Ebene der Linienautomatisierung in den kommenden Jahren wird gravierende Auswirkungen auf die Struktur von Maschinen und Anlagen haben. Die klassischen Feldbusse auf Factory-Ebene werden überflüssig. Zykluszeiten von 1 bis 2 ms sind mit TSN bereits in naher Zukunft greifbar. Offen bleibt der Bereich der harten Echtzeit mit dem Fokus auf Servoantrieben und schnellen Sensoranbindungen. Dies ist weiterhin den dafür optimierten Industrial-Ethernet-Protokollen vorbehalten. Für solche Anwendungen gibt es neben der Echtzeitkommunikation noch weitere Anforderungen, so fehlt OPC UA zum Beispiel ein standardisiertes Antriebsprofil. Dies löst Powerlink in Kombination mit den bekannten Canopen-Profilen. Zudem weist TSN, so wie es aktuell spezifiziert ist, einen entscheidenden Nachteil auf: Es ist für die in der IT üblichen Sterntopologien optimiert. Linientopologien (Daisy-Chain Verdrahtung), wie sie üblicherweise in Maschinen vorzufinden sind, sind mit den aktuellen TSN-Features nur sehr eingeschränkt möglich.
Wilmes (Phoenix Contact): Um die konventionelle Feldbustechnik zu ersetzten, ist mehr als eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit notwendig. Netzwerke, Geräte und modulare Komponenten müssen beispielsweise im Projekt erstellt und zur Inbetriebnahme schnell und einfach konfiguriert werden können. Im Fall eines Gerätetauschs sind die Kommunikations- und Geräteparameter wieder auf die neue Komponente herunterzuladen. Bis solche Mechanismen über OPC UA nicht beim letzten Sensor angekommen sind, fehlt die Funktion für den Anwender. Und selbst dann wäre eine derartige Lösung für einfache E/A-Stationen nur gleichwertig zu heutigen Feldbuskonzepten. Es ergibt sich also kein zusätzlicher Nutzen für den Anwender. Vorteile bietet die Kombination von OPC UA und TSN dagegen bei intelligenteren Feldgeräten. Dort, wo viel parametriert werden muss und neben dem zyklischen Daten-Interface Strukturen oder historische Daten zur Verfügung zu stellen sind, erweist sich ein UA-Server auf dem Gerät sicher als sinnvoll. Sollten die Security-Anforderungen bis in die Feldebene reichen, ist UA ebenfalls im Vorteil. Insbesondere intelligentere Feldgeräte mit Standard-Ethernet-Schnittstelle werden somit mittelfristig sowohl Feldbus als auch OPC UA unterstützen. Beide Welten wachsen zusammen, doch damit ist das Ende der Feldbusse noch nicht eingeleitet.

Die Experten

INFO

  • Hans-Werner Auberg, Geschäftsführer Softing Industrial Automation in Haar
  • Sven Goldstein, Produktmanager Twincat Connectivity & Embedded Systems bei Beckhoff in Verl
  • Stefan Hoppe, President der OPC Foundation Europe in Verl
  • Stephan Kehrer, Future Technologies bei Hirschmann Automation and Control in Neckartenzlingen
  • Peter Lutz, Geschäftsführer Sercos International e.V. in Süssen
  • Heinrich Munz, Lead Architect Industry 4.0, Strategic Technical Consultant Kuka Roboter in Augsburg
  • Dr. Bernhard Quendt, Chief Technology Officer, Digital Factory Division bei Siemens in Nürnberg
  • Norbert Sasse, Leiter Produktmanagement Electric Controls and Engineering bei Bosch Rexroth in Lohr
  • Stefan Schönegger, Marketing-Manager bei B&R Industrial Automation in Eggelsberg
  • Robert Wilmes, Software-Marketing in der BU Control Systems bei Phoenix Contact Electronics in Bad Pyrmont
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