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Schulterschluss zur Durchgängigkeit

Sercos und OPC UA: Vernetzung auf Basis von Industrie-Standards
Schulterschluss zur Durchgängigkeit

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Die Diversifizierung in der Automatisierungstechnik hat die Maschinen-Integration zu einer komplexen und kostenintensiven Aufgabe gemacht. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist die Kombination von OPC UA und Sercos, welche einen transparenten und durchgängigen Zugriff auf prozess- und produktionsrelevante Informationen in einer herstellerübergreifenden Semantik auch über Netzwerkgrenzen hinweg ermöglicht.

Peter Lutz ist Geschäftsführer des Sercos International e.V. in Süssen

Der Anwenderwunsch nach einer firmenübergreifenden Vernetzung und einem durchgängigen Zugriff auf produktionsrelevante Daten von beliebigen Abteilungen und Standorten eines Unternehmens auf die Geräte der Feldebene wird durch die heterogene Buslandschaft in der Automation und fehlende, busübergreifende Standards erschwert. Zwar verwenden immer mehr Hersteller Industrial-Ethernet-Lösungen, doch machen sie funktionierende Systeme auf Basis der traditionellen Feldbusse nicht automatisch obsolet – auch wenn die technischen Vorteile auf der Hand liegen. Darüber hinaus gibt es eine ganze Reihe konkurrierender Kommunikationsprotokolle, die zwar allesamt auf Ethernet basieren, aber in Bezug auf das Kommunikationsprotokoll und die eingesetzten Geräteprofile nicht kompatibel beziehungsweise interoperabel sind. Hinzu kommt, dass die meisten Kommunikationsprotokolle in einer gemeinsamen Netzwerk-Infrastruktur nicht koexistieren können, ohne dass die Performance und Echtzeitcharakteristik negativ beeinflusst wird.
Mit OPC Unified Architecture (OPC UA) steht nun ein universeller Kommunikationsstandard zur Verfügung, der es erlaubt, Systeme von der Unternehmensebene bis hin zur Steuerungs- oder Feldebene miteinander zu vernetzen. OPC UA kann nicht nur auf beliebigen Plattformen mit verschiedenen Programmiersprachen in Geräte integriert werden, sondern es können auch beliebig komplexe Systeme vollständig mit OPC UA beschrieben werden.
Semantik spielt eine Rolle
Doch obwohl OPC UA faktisch ein Kommunikationsstandard ist, der sich von der Unternehmens- bis hinab zur Feldebene erstreckt, gibt es zwei wesentliche Einschränkungen:
  • OPC UA kann bestehende Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme nur dort ersetzen, wo keine hohen zeitlichen und deterministischen Anforderungen an die Kommunikation bestehen.
  • OPC UA legt nur fest, wie Daten beschrieben und ausgetauscht werden. Die eigentliche Bedeutung der Daten – die Semantik – ist nicht festgelegt.
Ein vielversprechender Ansatz ist deswegen, das Sercos-Echtzeit-Protokoll und die von Sercos definierten Profile mit OPC UA zu kombinieren beziehungsweise auf OPC UA abzubilden. Prozess- und Gerätedaten werden somit auf einheitliche und herstellerübergreifende Weise nicht nur lokal über den Sercos-Echtzeitbus, sondern auch über eine beliebige übergeordnete Netzwerkinfrastruktur über OPC UA zur Verfügung gestellt (Bild 1).
Das Übertragungsverfahren von Sercos basiert auf einer zyklischen Kommunikation, bei der ein Sercos-III-Kommunikationszyklus mit Hilfe einer Zeitsteuerung in zwei Zeitschlitze (Kanäle) unterteilt wird (Bild 3). Im Echtzeit-Kanal werden die von Sercos III spezifizierten Sammeltelegramme als Broadcast übertragen und während des Durchlaufs durch die Sercos-III-Geräte bearbeitet. Im UC-Kanal (Unified Communication Channel) können zusätzlich beliebige andere Ethernet-Protokolle, wie zum Beispiel TCP/IP oder EtherNet/IP, übertragen werden.
Hochperformant – auch in Echtzeit
Die Kommunikationszyklen und die Aufteilung der Bandbreite von 100 MBit/s in Echtzeit- und UC-Kanal lassen sich dabei an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Da der UC-Kanal direkt auf der Ethernet-Schicht aufsetzt, können beliebige Ethernet-Teilnehmer ohne Zusatzhardware an das Netzwerk angebunden werden. Ein Tunneln der Protokolle ist nicht erforderlich. Auch bevor eine Sercos-III-Kommunikation durch den Master initiiert wurde, können die Netzwerkteilnehmer bereits Daten über beliebige Ethernet-Protokolle austauschen. Die Multiprotokollfähigkeit des Sercos-Übertragungsverfahrens in Kombination mit der hohen Performance erlaubt einen durchgängigen Datenaustausch – ohne die Echtzeitcharakteristik von Sercos negativ zu beeinflussen. Da bei Sercos auch umfassende Funktions- und Geräteprofile für ein problemloses Zusammenspiel von Steuerungen und Peripheriegeräten definiert sind, liegen die ausgetauschten Daten in einer herstellerübergreifenden Semantik vor.
Die einfache Erweiterbarkeit durch Informationsmodelle macht OPC UA sehr interessant für eine generische Abbildung von Sercos-Kommunikationsdiensten und Funktions- beziehungsweise Geräteprofilen. Abzubilden sind dabei zum einen die Basisdienste von OPC UA auf die Basisdienste von Sercos (zyklischer und azyklischer Datenaustausch), zum anderen die Datenmodellierung auf Basis der Sercos-Parameter auf das Informationsmodell von OPC UA.
Mit Sercos III stehen grundsätzlich drei unterschiedliche Realisierungsoptionen zur Verfügung, um die spezifischen Daten von Sercos-Feldgeräten übergeordneten Fabrikebenen mittels OPC UA zur Verfügung zu stellen:
  • Die OPC-UA-Server-Funktionalität kann in eine Maschinensteuerung integriert werden. Diese fungiert in diesem Falle als Gateway, in dem das Mapping auf Sercos-Dienste und -Daten vorgenommen wird. Anforderungen der OPC-UA-Clients werden in entsprechende Anforderungen der Steuerung (Sercos Master) umgesetzt und an die angebundenen Sercos-Slave-Geräte übermittelt (Bild 2, links). Außerdem werden die empfangenen Prozessdaten mit Hilfe des OPC-UA-Servers entsprechenden -Clients zur Verfügung gestellt.
  • Durch die oben beschriebene Multiprotokollfähigkeit von Sercos ist es auch möglich, einen OPC-Server direkt in ein Sercos-Feldgerät zu integrieren. In diesem Falle wird das OPC-Protokoll direkt über den oben beschriebenen UC-Kanal zu dem jeweiligen Sercos-Slave-Gerät durchgeroutet. Die Gateway-Funktionalität der Steuerung wird somit auf die Funktion eines Ethernet-Switches reduziert (Bild 2, Mitte). Die Kommunikationsfähigkeit zwischen OPC-Client und OPC-UA-Server bleibt aufgrund des Sercos-Übertragungsverfahrens (kein Tunneln!) auch ohne laufende Sercos-Kommunikation erhalten.
  • Falls die Steuerung die Daten der angeschlossenen Feldgeräte gefiltert beziehungsweise aggregiert an die überlagerten OPC-UA-Clients weitergeben will, kann in die Steuerung auch ein OPC-Client integriert werden, der die über Sercos eingesammelten Daten in aufbereiteter Form über einen OPC-UA-Server anderen OPC-UA-Clients zur Verfügung stellt (Bild 2, rechts).
Mit der Abbildung des Sercos-Informationsmodells auf OPC UA werden die von Sercos-Geräten zur Verfügung gestellten Funktionen und Daten über OPC UA zugänglich gemacht. Damit wird nicht nur der Datenaustausch zwischen Maschinenperipherie und übergeordneten IT-Systemen vereinfacht, sondern auch die Anforderungen von Industrie 4.0 hinsichtlich einer semantischen Interoperabilität unterstützt. Besonders interessant ist die Nutzung der Multiprotokollfähigkeit von Sercos, welche es erlaubt, die Protokolle OPC UA und Sercos in einer einheitlichen Ethernet-Infrastruktur zu nutzen – ohne die Echtzeitcharakteristik von Sercos zu beeinträchtigen. Auch ohne laufende Sercos-Echtzeit-Kommunikation ist dabei ein durchgängiger Zugriff auf die Maschinenperipherie möglich. co
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