Reif für das Industrial Internet of Things (IIoT) Softing implementiert OPC UA TSN - wirautomatisierer

Reif für das Industrial Internet of Things (IIoT)

Softing implementiert OPC UA TSN

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OPC Classic, Standard für den Datenaustausch zwischen beliebigen Anwendungen basierend auf dem COM/DCOM-Modell von Microsoft, bringt eine Reihe von Einschränkungen mit sich. So eignet sich diese OPC-Technologie nicht für die Kommunikation über das Internet, den Einsatz von Firewalls oder den Betrieb auf Nicht-Windows-Plattformen. Mit OPC UA steht ein komplett überarbeiteter Standard zur Verfügung, der zusätzliche Anforderungen abdeckt. Das Publisher/Subscriber-Modell sowie TSN erweitern die Funktionalitäten zusätzlich.

Dipl.-Inform. Georg Suess, Operational Marketing, und Cristian Pogacean, Product Manager OPC, Softing Industrial Automation

OPC UA ist unabhängig vom eingesetzten Betriebssystem, von der eingesetzten Programmiersprache, von proprietären Technologien sowie von einzelnen Herstellern. Es unterstützt die Skalier- und Verfügbarkeit sowie die Internet-Fähigkeit. Als Folge davon hat sich OPC UA in den letzten Jahren als führender herstellerunabhängiger Standard für den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Geräten etabliert.
Realisierung des IIoT
OPC UA ist die ideale Lösung für die vielfältigen Anforderungen der Industrie und verfügt als Standard über großes Zukunftspotenzial. Nicht von ungefähr ist OPC UA auch als Technologie zum Datenaustausch für die zukünftige Realisierung des industriellen Internets (Industrial Internet of Things, IIoT) der Dinge und von Industrie-4.0-Anwendungen vorgesehen. Beschäftigt man sich aber genauer mit möglichen Szenarien einer IIoT-Implementierung, erkennt man schnell, dass die Kommunikationsanforderungen nicht optimal durch die im aktuellen OPC-UA-Standard definierten Funktionalitäten abgedeckt werden. So stößt man auf Szenarien, die die Umsetzung der Kommunikationsprinzipien Einer-an-Viele (One-to-Many), Viele-an-Einen (Many-to-One) und Viele-an-Viele (Many-to-Many) erfordern. Entsprechend eignet sich das Publisher/Subscriber-Modell besser für IIoT-Implementierungen als die im OPC-UA-Standard definierte Client/Server-Architektur. Aus diesem Grund wird aktuell in den OPC-UA-Standard ebenfalls ein Publisher/Subscriber-Kommunikationsmodell aufgenommen, das sich besonders für den Versand von Multicast- und Broadcast-Nachrichten eignet.
Wenn das Client/Server-Prinzip nicht ausreicht
Bei einer öffentlichen Subskription benötigen viele Clients für eine Liste von Variablen Informationen über die Konfigurationsänderungen. So ein Datenaustausch erfolgt nach der Erstinbetriebnahme und bei jeder Konfigurationsänderung. Das Client/Server-Modell geht mit dieser Situation nicht effizient um, da viele Client/Server-Verbindungen hergestellt werden müssen, jeder Client zur Speicherung der Verbindungsdaten und der jeweiligen Variablenwerte Speicherplatz bereitstellen muss und der Server mit der Bereitstellung der Nachrichten für alle bestehenden Verbindungen stark belastet wird. Die Belastung des Serverprozessors steigt weiter, falls die Clients für die Variablen unterschiedliche Abtastraten definiert haben.
Beim Secure Multicast muss der Server ebenfalls Daten an viele Clients senden. Der Datenaustausch erfolgt zyklisch oder mit jeder Werteänderung. Bei der Veröffentlichung Viele-an-Einen benötigen einer oder mehrere Clients in einer Cloud Daten von sehr vielen hinter einer Firewall befindlichen Geräten. Der Datenaustausch erfolgt zyklisch oder ausgelöst durch die Änderung eines Werts oder Alarms. Diese Situation kann in der Regel nicht mittels OPC UA abgearbeitet werden, da so viele offene Verbindungen nicht parallel bedient werden können.
Bei der Kommunikation Maschine-zu-Maschine müssen Maschinen Prozessdaten mit anderen Maschinenmodulen oder mit der Prozessvisualisierung austauschen. Die Prozessdaten können Steuerdaten und Statusinformationen enthalten, wobei der Datenaustausch zyklisch erfolgt. Bei dynamischen Netzbeziehungen können mobile Geräte, wie optionale Maschinenteile, mobile Roboter und mobile Messeinrichtungen, flexibel von einer Maschine entfernt oder ihr hinzugefügt werden. Das gilt etwa für Roboter, die die Komplettprogrammierung einschließlich der zugehörigen mobilen Geräte unterstützen und für Remote Procedure Calls. Maschinen und mobile Geräte haben separate Steuerungen, die auf deterministische Weise kommunizieren. Oft sind Mobilgeräte in der Lage, mehrere Aufgaben durchzuführen (z.B. kann ein mobiler Roboter an einer Station schweißen, an einer anderen Station kleben und an einer dritten Station greifen). Beim Anschluss eines mobilen Geräts an eine Maschine muss eine geeignete Kommunikationsbeziehung unter Beachtung der Variablenliste und der Funktionen des mobilen Geräts hergestellt werden. Auch das kann OPC UA nicht zufriedenstellend leisten.
Komplexe Steuerungssysteme müssen viele Server gleichzeitig mit Daten bedienen. Beispielsweise visualisieren viele HMI-Anwendungen dieselben Informationen an mehreren Stellen eines Standorts, damit die Bediener unabhängig vom Aufenthaltsort Zugang zu den Informationen haben. In einem typischen Datenaustausch sind bis zu 30.000 Datenpunkte an 50 bis 100 Clients mit einer gewünschten Aktualisierungsrate von 200 ms zu bedienen. Dabei erfolgt der Datenaustausch zyklisch. Darüber hinaus müssen asynchrone Ereignisse an mehrere HMIs gleichzeitig kommuniziert werden, sodass sie im gesamten Standort sichtbar sind. Sobald ein Benutzer einen Alarm quittiert oder an einem HMI auf andere Weise eingreift, steuert dieses HMI den Zustand des zugehörigen Ereignisses.
Deterministischer Publisher/Subscriber-Datenaustausch
Bei einem Paketidentifikationssystem müssen im laufenden Betrieb Daten zwischen Kameras und RFID-Systemen ausgetauscht werden, aber auch mit SPSen, etwa für Sortieraufgaben. Der Datenaustausch erfolgt meist ereignisgesteuert (bis zu 18 Ereignisse pro Sekunde), sobald ein Paket ankommt. Da diese Kommunikation Steuerungsaufgaben dient, ist eine sehr geringe Latenzzeit (100 ms) gefordert. Dabei findet außerdem meist eine unkritische zyklische oder ereignisgestützte Kommunikation statt. Eine zyklische Kommunikation zwischen intelligentem Sensor und Steuerung findet beispielsweise bei der Laserentfernungsmessung statt. Dabei tauschen die Sensoren Daten zyklisch mit einer zentralen Steuerung oder einem Aktor aus. Erforderlich sind hier Zykluszeiten von 10 ms, was zu einer Datenmenge von 15 MB pro Sekunde führt. Zur Koordination der Messungen durch die verschiedenen Sensoren ist eine Zeitsynchronisation erforderlich. Bei der zyklischen Kommunikation zwischen Roboter und Werkzeugsteuerung, beispielsweise bei der Koordination von Roboterwerkzeugen, wird ein zyklischer Datenaustausch mit einer Zykluszeit von 1 bis 5 ms benötigt. Da auch diese Kommunikation Steuerungsaufgaben dient, ist ebenfalls eine sehr geringe Latenzzeit erforderlich. Zusätzlich findet zwischen Roboter und Werkzeugsteuerung eine unkritische Kommunikation statt, wie etwa auch beim Datenaustausch mit MES-Systemen und Datenbanken. Auch für den Materialtransport in der Fertigungsstätte ist eine zyklische Kommunikation zwischen der Steuerung und den mobilen Geräten erforderlich. Die Zykluszeit für die Kommunikation darf hier 1 bis 5 ms betragen.
Abhängig vom Anwendungsfall sind unterschiedliche Realisierungen des OPC-UA-Publisher/Subscriber-Kommunikationsmodells möglich. Die ideale Option für die Implementierung der vorgestellten IIoT-Anwendungsfälle, die ein schnelles lokales Netz benötigen, verwendet eine verbindungslose sichere Kommunikation auf der Basis des Netzprotokolls User Datagram Protocol (UDP) Secure Multicast. Es ermöglicht die Realisierung schlanker und effizienter Protokoll-Stacks für die Nachrichtenbehandlung und unterstützt auch den zyklischen Datenaustausch. Charakteristisch für die Kommunikation ist die geringe Belastung in Verbindung mit dem schnellen und zuverlässigen Datenaustausch. Das spezifizierte OPC-UA-Informationsmodell braucht hierbei nicht modifiziert zu werden.
Mit der Verwendung des OPC-UA-Publisher/Subscriber-Modells alleine lassen sich allerdings noch nicht alle Anwendungsfälle realisieren. Vielmehr muss dafür auch ein deterministischer Datenaustausch sichergestellt werden. Ein Lösungsansatz dafür ist die Verwendung des TSN-Standards (Time-Sensitive Networking) für Industrial-Ethernet-Netze. Dieser nutzt ein global synchronisiertes Zeitverhalten in Verbindung mit einem gemeinsamen Zeitplan für alle Netzkomponenten. Damit stehen reservierte Zeitfenster für die Übertragung priorisierter Nachrichten bereit, sodass daraus für den geplanten Datenverkehr im Switched-Netz eine garantierte Obergrenze für die maximale Latenzzeit resultiert.
Machbarkeitsuntersuchung für die IIoT-Umgebung
Theoretisch ist das beschriebene OPC-UA-Publisher/Subscriber-Modell ebenso wie der vorgestellte TSN-Standard in der Lage, den in IIoT-Realisierungen geforderten deterministischen Datenaustausch zu ermöglichen. Vor dem Einsatz beider Technologien in echten Anwendungen muss jedoch unbedingt die praktische Anwendbarkeit des Ansatzes überprüft werden.
Aus diesem Grund hat Softing Industrial eine Demonstrationsanlage für die Untersuchung des Zeitverhaltens der OPC-UA-Publisher/Subscriber-Kommunikation in einem TSN-Netz aufgebaut. Für diese Demonstrationsanlage nutzt das Unternehmen die schon über 20-jährige OPC-Erfahrung zusammen mit der eigenen universellen Geräteplattform auf Basis der FPGA-Technologie. Diese Plattform lässt sich allein durch Laden der passenden Hard- und Software auf das FPGA auf individuelle Anforderungen zuschneiden.
Das Unternehmen führt auf einer Demonstrationsanlage erstmals eine praxisorientierte Evaluierung zu den tatsächlichen Abweichungen von der festgelegten Zykluszeit durch. Dabei kann mit der Verwendung des Time-Sensitive Networking eine signifikante Verbesserung des deterministischen Zeitverhaltens im OPC-UA-Publisher/Subscriber-Kommunikationsmodell im Vergleich zu einer OPC-UA-Client/Server-Standardkommunikation nachgewiesen werden. Eine erhöhte Netzauslastung zieht keine Verschlechterung der Kommunikation nach sich. Zudem hat sich herausgestellt, dass eine Einschränkung des Nachrichtenverkehrs nicht zu einer Bandbreitenverschwendung führt. Der gezeigte Ansatz erfüllt daher ideal die besonderen Kommunikationsanforderungen der vorgestellten IIoT-Anwendungen. ge
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