OPC UA TSN – eine gemeinsame Sprache für das IIoT

OPC UA TSN: Eine gemeinsame Sprache für das Industrial Internet of Things (IIoT)

Über TSN echtzeitfähig kommunizieren

Anzeige
OPC UA TSN ist innerhalb kurzer Zeit zu einem der meist diskutierten Themen der industriellen Automatisierung avanciert. Mit der mittlerweile breiten Unterstützung von wichtigen Unternehmen aus den Bereichen industrielle Automation und IT sind die Vorzeichen für diesen gemeinsamen Standard mehr als positiv. Ob OPC UA TSN mehr Offenheit in die Branche bringt oder gar die vierte industrielle Revolution einläutet, hängt von einigen Faktoren ab – aus technischer Perspektive hat diese Kombination auf jeden Fall enormes Potenzial. In diesem Beitrag erfahren Sie, warum sie eine bereits existierende Plattform mit neuer Echtzeitfunktionalität vereint und doch mehr als die Summe ihrer Bestandteile ist.

Ein Grundlagenbeitrag von TTTech

Inhaltsverzeichnis

1. Eine bewährte Grundlage
2. IEEE TSN: Echtzeit für Ethernet
3. Zeitsynchronisierung
4. Time-Aware Shaper
5. Das Bindeglied für OPC UA und TSN
6. Fazit

Um Daten zwischen verschiedenen Maschinen wie Robotern, Verpackungsanlagen etc. auszutauschen, muss eine allgemein verständliche Repräsentation von verschiedenen Informationen gewährleistet sein. Dafür steht mit OPC UA seit 2006 eine herstellerunabhängige, standardisierte Plattform zur Verfügung. OPC UA legt fest, wie Daten in Information übersetzt werden und wie diese Information folglich in einer verteilten Umgebung wie einem ‚Machine-to-Cloud-Szenario‘ verwaltet wird. OPC UA ermöglicht dadurch Interoperabilität zwischen Geräten, die davor nur über aufwändige Umwege hergestellt werden konnte. Dadurch wird auch ein Zugang zu solchen Daten geschaffen, die beispielsweise für Produktionsoptimierungen genutzt werden können. Durch Initiativen wie Industrie 4.0 ist der Wert solcher Daten vielen Nutzern im industriellen Bereich bewusst geworden. Folglich ist auch die Akzeptanz und Nutzung von OPC UA rapide angestiegen, sodass mittlerweile alle großen Maschinenhersteller diese Plattform unterstützen.

Eine bewährte Grundlage

OPC UA basiert grundsätzlich auf einem Client-Server Modell: Ein User (der Client), beispielsweise ein menschlicher Nutzer oder ein cloud-basiertes Informations-Managementsystem, fragt Informationen von einem Gerät (dem Server) in einer standardisierten Form an. Der Server bietet dann entsprechend Zugang zu den Daten in einem Standard-Format. Im Mai 2018 wurde von der OPC Foundation die Publish-Subscribe (PubSub) Spezifikation für OPC UA veröffentlicht. Damit wird erstmals auch die Kommunikation von Einem zu Vielen (Multicasting) ermöglicht, sodass ein Gerät (der Publisher) Daten in standardisierter Form einer Gruppe von anderen Geräten (den Subscribern) zur Verfügung stellen kann. Diese Informationen können vom Publisher in exakt definierten Zeitintervallen bereitgestellt werden – die Subscriber wissen dann wie oft oder sogar genau wann, neue Maschinen oder Produktionsdaten zur Verfügung stehen.

Für OPC UA ist PubSub die Eintrittskarte für das Endgerät-Level, wo Steuerungen, Sensoren und Embedded Devices Kommunikation mit geringer Latenz benötigen. Diese Erweiterung macht somit eine Vielzahl neuer Use Cases auf Produktionslevel möglich. Diese Eigenschaften sind besonders für Nutzer im Industriebereich attraktiv: Sie können mit PubSub flexibel Systeme, die aus mehreren Geräten oder Maschinen bestehen, automatisieren, die zuvor nicht interoperabel waren. Viele dieser Systeme arbeiten allerdings mit extrem hohen Geschwindigkeiten und erfordern nicht nur regulären Datenaustausch, sondern auch Echtzeit: Daten müssen innerhalb weniger Millisekunden bereitgestellt werden können. Um diese Anforderung zu erfüllen, kommt IEEE TSN ins Spiel.

IEEE TSN: Echtzeit für Ethernet

Mit Time Sensitive Networking (TSN) stehen neue Mechanismen in Standard IEEE Ethernet zur Verfügung, die Echtzeitverhalten und seine Zuverlässigkeit auch für kritische Anwendungen ermöglichen. An diesem Paket von Mechanismen wurde in den letzten Jahren in der TSN Task Group gefeilt, die Teil der IEEE 802.1 Arbeitsgruppe ist. TTTech hat nach langjähriger Forschungsarbeit bereits Konzepte entwickelt, die sichere Echtzeitkommunikation über Standard-Ethernet ermöglichen. Gemeinsam mit anderen führenden Unternehmen hat TTTech diese Konzepte in Form der IEEE 802.1 TSN Standards in das IEEE Ethernet eingebracht. TSN besteht derzeit aus mehr als 10 Standards, wovon zwei zentrale Elemente näher beleuchtet werden:

  • Zeitsynchronisation (IEEE 802.1AS)
  • Scheduled Message Release (IEEE 802.1Qbv)

Zeitsynchronisierung

Zeitsynchronisierung ist ein essentieller Mechanismus, um deterministische Kommunikation mit geringer Latenz für TSN-Netzwerke zu ermöglichen. Ein robuster Mechanismus, der eine globale Zeit bereitstellt, bildet die Grundlage für die Planung der Traffic-Queues für jede teilnehmende Netzwerkkomponente. Der IEEE-802.1AS-Sub-Standard erstellt ein Profil des IEEE-1588-PTP-Synchronisationsprotokolls für TSN, das die Kompatibilität der Zeitsynchronisation zwischen verschiedenen TSN-fähigen Geräten ermöglicht. Dieser Standard liegt für TSN als Version nach Revision (IEEE 802.1ASrev) vor. Dafür wurden Mechanismen für Fehlertoleranz sowie die Möglichkeit, mehrere aktive Synchronisations-Master zu integrieren, hinzufügt.

Eine Referenzuhr, die gleichzeitig eine ‚Arbeitsuhr‘ ist, die zeitkritische Ereignisse triggert, sowie eine ‚Universal-Uhr‘ oder ‚Wanduhr‘ zu haben, die für Zeitstempel-Ereignisse genutzt wird, kann in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft sein. So wird beispielsweise Zeitstempeln von Ereignissen wie Produktionsdaten oder Messungen, und die Synchronisation von Applikationen wie Sensoren, Aktuatoren und Steuereinheiten ermöglicht.

Time-Aware Shaper

Das Herzstück von TSN ist das Time-Sensitive-Kommunikationsprinzip, im Bereich TSN als ‚Time-Aware Shaper‘ bezeichnet. Dieses Prinzip bewirkt, dass Traffic deterministisch in Warteschlangen durch ein Netzwerk transportiert wird. Dieses Prinzip wurde als IEEE 802.1Qbv standardisiert.

Mit diesem Time-Aware-Shaper-Konzept wird es möglich, den Datenfluss über einen TSN-fähigen Switch zu kontrollieren. Ethernet Frames werden identifiziert und auf Basis des Priority Fields des VLAN-Tags einer Warteschlange zugeordnet. Jede dieser Warteschlangen wird über einen Schedule definiert, die Übertragung der Nachrichten wird dann durch Egress Ports während definierter Zeitfenster durchgeführt. Die Übertragung anderer Warteschlangen wird während dieses Zeitfensters blockiert – so wird verhindert, dass der geplante Traffic nicht von ungeplantem Traffic behindert wird. Die Verzögerung bei jedem Switch ist somit deterministisch und die Latenz kann daher in einem Netzwerk mit TSN-fähigen Komponenten garantiert werden.

Das Bindeglied für OPC UA und TSN

Um nun den OPC-UA-PubSub-Datenaustausch und die deterministische TSN-Kommunikation zu verbinden, braucht es einen Mechanismus, der TSN-Schedules den bereitgestellten OPC-UA-Daten zuordnet. Diese Aufgabe wird vom PubSub-TSN-Konfigurations-Broker ausgeführt. Er wird als Softwaremodul implementiert, auf einem Switch oder einem anderen Netzwerkgerät gehostet, und interagiert mit den OPC-UA Publisher- und Subscriber-Geräten sowie mit der TSN-Scheduling-Software. Sobald der TSN-Scheduling-Service bestätigt hat, dass er jedem vom Broker angeforderten OPC-UA-PubSub-Datenstrom einen Pfad durch das Netzwerk zugeordnet hat, stellt der Broker für die Konfiguration relevantes Feedback für die OPC-UA-Publisher zur Verfügung. Dieses System lässt auch die dynamische Rekonfigurierung von OPC-UA-Datenströmen über das TSN-Netzwerk zu. Wenn Publisher oder Subscriber dem Netzwerk hinzugefügt werden, wird der Vermittlungsprozess wiederholt, um den TSN Scheduler anzuweisen, verfügbare Slots im Schedule zu finden und entsprechendes Feedback an die Publisher und Subscriber zurückzumelden.

Fazit

Ein Leitprinzip von OPC UA ist die Vereinfachung offener Kommunikation. Offenheit in eine Welt der geschlossenen Systeme zu bringen haben sich auch die Unternehmen auf die Fahnen geheftet, die OPC UA TSN unterstützten und vorantreiben. Die Möglichkeit, Informationen von allen Arten von Maschinen, Geräten und Sensoren in Echtzeit zu teilen ist tatsächlich revolutionär – eine breite Akzeptanz des Standards könnte tatsächlich der Grundstein für die 4. industrielle Revolution sein. Abseits jeglicher Prognosen über die Marktmechanismen ist die Kombination aus OPC UA PubSub und TSN jedenfalls eine geeignete Gesamtlösung, um herstellerübergreifend Industrie-4.0-Konzepte zu realisieren:

  • Offenheit und Standardisierung, die für das Industrial Internet of Things (IIoT) notwendig ist,
  • Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit von Gigabit-Ethernet sowie
  • garantierte Echtzeitfähigkeit für alle Anwendungen und Datenverbindungen vom Sensor bis in die Cloud.

Diese Offenheit bringt exakt die Vorteile, die die Industrie 4.0 seit der Prägung des Begriffs verheißt.

Anzeige

Video aktuell

Rahman Jamal, Business & Technology Fellow bei National Instruments, zur Bedeutung des Testens von smarten Maschinen

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Unsere Dosis Wissensvorsprung für Sie. Jetzt kostenlos abonnieren!

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Automation Award

Automation Award 2018
Die Besucher der SPS IPC Drives haben gewählt. And the winners are…

Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos

Alle Whitepaper

Hier finden Sie alle Whitepaper unserer Industrieseiten

Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de