OPC UA spielt insbesondere im Zusammenhang mit Industrie-4.0-Projekten eine wichtige Rolle, da moderne Fertigungskonzepte eine durchgängige Kommunikation vom ERP-System bis zur Maschinenebene erfordern. Die Trennung zwischen IT und Automatisierung lässt sich damit aufbrechen – solange Echtzeit keine Rolle spielt. Genau das könnte sich durch OPC UA in Verbindung mit Time-Sensitive Networking (TSN) ändern.
Der Autor: Stefan Hensel, B&R
Mit OPC UA TSN schlagen wir die Brücke zwischen der IP-basierten IT-Welt und Protokollen für harte Echtzeitanforderungen wie Powerlink“, sagt Stefan Schönegger, Marketing Manager bei B&R. „OPC UA TSN ist die perfekte Lösung für alle Applikationen in der Fabrikautomatisierung oberhalb der Maschinenebene mit weichen Echtzeit-Anforderungen.“ Dazu gehören Aufgaben wie Liniensynchronisation oder die Anbindung von SCADA-Systemen bis hin zur Lösung einfacher Steuerungsaufgaben oder auch dem Betrieb von Förderbändern. Entscheidend ist: Dabei geht es um Performance-Anforderungen von 2 bis 10 Millisekunden und einen Jitter im 3-stelligen Mikrosekundenbereich.
Time-Sensitive Networking (TSN) bezeichnet eine Reihe von Unterstandards, die derzeit entwickelt werden und in Zukunft innerhalb der IEEE 802.1 standardisiert werden. Ziel ist es, Ethernet echtzeitfähig zu machen. „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“, so Schönegger weiter. Hintergrund ist, dass die in Kraftfahrzeugen übertragenen Datenmengen in den vergangenen Jahren exponentiell gestiegen sind. „Die Bandbreite bisheriger Bussysteme reicht längst nicht mehr aus.“ In einem ersten Schritt hat die Automobilbranche daher den Standard 802.1 AVB (Audio Video Bridging) übernommen, der ein synchronisiertes und priorisiertes Streaming von Audio- und Videodateien ermöglicht. Damit können zum Beispiel Daten einer Rückfahrkamera in einem Auto via Ethernet übertragen werden.
Mit dem Ziel, weitere Industrien zu erreichen und das Einsatzspektrum zu erhöhen, hat sich aus der AVB-Arbeitsgruppe die TSN-Initiative entwickelt. Ziel der Automobilbranche ist es, auch Steuerungsaufgaben und Anwendungen, die die funktionale Sicherheit betreffen, über Ethernet abzuwickeln. Dafür sind Zykluszeiten im Echtzeitbereich und ein deterministisches Netzwerkverhalten Grundvoraussetzung. „Genau diese Anforderungen sind es auch, die wir in der Linienautomatisierung moderner Produktionsanlagen haben“, betont Schönegger. „Daher haben wir uns gemeinsam mit anderen Automatisierungsherstellern dazu entschieden, OPC UA mit TSN echtzeitfähig zu machen.“
Keine Einschränkung durch proprietäre Lösungen
Der offene Standard OPC UA bietet sich als ideales Kommunikationsprotokoll von der Steuerungsebene bis zu ERP-Systemen an – und adressiert damit insbesondere auch die Anforderungen der Industrie 4.0, denn die Komplexität industrieller Automatisierungsaufgaben nimmt beständig zu und dezentrale Steuerungskonzepte setzen sich durch. Sie erlauben einen flexiblen, modularen und individuellen Aufbau der Automatisierungstechnik, da die Peripheriegeräte über Feldbus und Industrial Ethernet angebunden und zusehends öfter mit Eigenintelligenz ausgestattet sind. Nicht selten werden mit eigenen Steuerungen versehene Maschinenteile oder Teilmaschinen zu einer Gesamtmaschine zusammengefasst.
Für die Produktivität solcher Lösungen ist eine reibungslose Kommunikation zwischen den einzelnen Teilsystemen und Komponenten entscheidend. Maschinen- und Anlagenbauern ist dabei sehr wichtig, dass ihre Möglichkeiten beim Umsetzen eines Prozesses in eine Maschine oder Anlage nicht durch proprietäre Lösungen eingeschränkt werden – was für OPC UA spricht. OPC UA wurde mittlerweile von allen großen Steuerungsherstellern implementiert. Der Standard garantiert, dass Maschinen mit Steuerungen verschiedener Hersteller problemlos in einem System koordiniert werden können. Auch das Protokoll selbst ist plattformunabhängig, der Kommunikationsstack kann auf beliebige Betriebssysteme und Embedded-Hardware portiert werden. „OPC UA ist das einzige Protokoll, das auf dieser Ebene all diese Vorteile vereint“, fährt Schönegger fort.
Echtzeit für maximale Produktivität
Die mit OPC UA TSN nun mögliche Echtzeit ist insbesondere für die Fabrik der Zukunft von Bedeutung. „Maschinen, Roboter und Förderbänder kommunizieren in Echtzeit miteinander, um maximale Produktivität zu erreichen“, so der B&R-Kommunikationsexperte. OPC UA selbst echtzeitfähig zu machen, sei zwar technisch durchaus möglich, jedoch mit hohem Aufwand und vielen Nachteilen verbunden. Daher haben sich zahlreiche Automatisierungs- und Roboterhersteller zusammengeschlossen – sie setzen auf OPC UA TSN. Und: Die mit TSN mögliche Erweiterung von OPC UA auf die Ebene der Linienautomatisierung wird in den kommenden Jahren gravierende Auswirkungen auf die Struktur von Maschinen und Anlagen haben. „Die klassischen Feldbusse auf Factory-Ebene werden überflüssig“, erläutert Schönegger. „Die Kombination aus OPC UA TSN und Powerlink wird in Zukunft ausreichen, um die vollständige Kommunikation in der industriellen Fertigung abzuwickeln.“ Ein weiterer Vorteil dabei: OPC UA und Powerlink sind reine Softwareprotokolle, deren Stacks frei verfügbar sind und auf beliebige Plattformen portiert werden können. „Die Kombination aus beiden ermöglicht größtmögliche Freiheit beim Engineering von Maschinen und Anlagen – unabhängig vom Hersteller der Steuerungen.“
Hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten von TSN müssen allerdings die Randbedingungen betrachtet werden. „Zykluszeiten von weniger als 2 Millisekunden dürften sich technisch auch mit TSN in der Realität nicht umsetzen lassen“, so Schönegger abschließend. „Daher bleibt der Bereich der harten Echtzeit mit dem Fokus auf Servoantrieben und schnellen Sensoranbindungen weiterhin den dafür optimierten Industrial-Ethernet-Protokollen wie Powerlink vorbehalten.“ Zudem weist TSN unterhalb der Linienebene heute noch einen entscheidenden Nachteil auf: Es ist für die in der IT übliche Sterntopologie optimiert. Linientopologien (Daisy-Chain Verdrahtung), wie sie üblicherweise in Maschinen vorzufinden sind, können mit TSN nur sehr eingeschränkt verwendet werden. co
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www.br-automation.com
Hinweis: Ein ausführliches Gespräch mit Stefan Schönegger zum Thema OPC UA TSN lesen Sie in der Ausgabe 1/2016 der develop3 systems engineering, die am 22. März 2016 erscheint. Sie kennen die develop3 noch nicht: Bestellen Sie über den QR-Code kostenlos die Ausgabe 1/2016 oder senden Sie uns eine Mail mit Stichwort „B&R develop3“ an:
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Abkürzungen
PLUS
- OPC UA ist ein M2M-Kommunikationsprotokoll, dessen Entwicklung von der OPC Foundation vorangetrieben wird. Ziel ist, Maschinendaten wie Regelgrößen, Messwerte, Parameter und andere nicht nur zu transportieren, sondern auch maschinenlesbar semantisch zu beschreiben. OPC ist dabei die Abkürzung für OLE for Process Control, worin OLE für Object Linking and Embedding steht; UA ist die Abkürzung für Unified Architecture.
- TSN (Time-Sensitive Networking) bezeichnet eine Reihe von Unterstandards, an denen die TSN Task Group (entstanden aus der Audio/Video Bridging Task Group) arbeitet. Sie werden in Zukunft innerhalb der IEEE 802.1 standardisiert und definieren Mechanismen zur Übertragung von Daten über Ethernet-Netzwerke mit Echtzeitanforderungen – etwa Echtzeit-Kontrollstreams, welche im Automobil oder in Industrieanlagen zur Steuerung verwendet werden.
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