Die Praxistauglichkeit führt zum Erfolg

Hirschmann unterstützt die Entwicklung von OPC UA und TSN

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Das HiOS-Betriebssystem wurde um den Time-Aware Scheduler gemäß IEEE 802.1Qbv erweitert und ist nun TSN-fähig Bild: Hirschmann
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Seit Gründung der Initiative Field Level Communications (FLC) in der OPC Foundation im November 2018 ist klar: Die Technologiekombination aus OPC UA und IEEE TSN als herstellerneutrale Kommunikationstechnologie erfreut sich nicht nur auf dem Papier breiter Unterstützung, sondern auch bei der technischen Realisierung. Hirschmann, Teil der Belden-Gruppe, unterstützt diese Entwicklung von Anfang an. Einen Schritt zum Erfolg sieht man im Unternehmen in der Praxistauglichkeit.

Dr. René Hummen und Dr. Oliver Kleineberg, Hirschmann/Belden Electronics GmbH in Neckartenzlingen

Inhaltsverzeichnis

1. TSN für Echtzeit mit OPC UA
2. Nutzerfreundliche Konfiguration – das A und O
3. Herstellerdifferenzierung auch mit OPC FLC
4. Bedeutung für die TSN-Netzwerkkonfiguration
5. Integrations- und Migrationsszenarien

Field Level Communications bedeutet dabei auch, dass diese neue Technologie bis auf die Feldebene vorstoßen wird und damit ebenfalls in Bereiche, die bisher hauptsächlich von weitestgehend inkompatiblen Speziallösungen einzelner Hersteller abgedeckt wurden. OPC FLC hat damit das Potenzial, der von vielen Endanwendern herbeigesehnte nächste Schritt in Richtung einer harmonisierten Netzwerkkommunikation in der industriellen Automatisierungstechnik zu werden.

Nach anfänglich 22 Unternehmen hat sich das Engagement für OPC FLC zum Jahresbeginn 2019 nochmals verstärkt. Mit über 80 Teilnehmern vor Ort war das erste technische Treffen der neu gegründeten FLC-Arbeitsgruppe im Januar in München noch besser besucht als zunächst erwartet. Zum Teilnehmerkreis gehörten eine Vielzahl namhafter Automatisierungshersteller, die fortan eine universelle, herstellerneutrale Kommunikationslösung entwickeln wollen. Darunter befinden sich neben Partnern auch Unternehmen, die in einem langjährigen Wettbewerber zueinander stehen, beispielsweise Mitsubishi Electric, Rockwell und Siemens.

TSN für Echtzeit mit OPC UA

Damit OPC UA das für die Feldebene wichtige Echtzeitverhalten bekommt, soll OPC FLC auf TSN-Technologie zurückgreifen. Kernelemente dieser Technologie sind nicht nur seit einigen Jahren als Standard veröffentlicht, sondern es gibt auch bereits zahlreiche Prototypen, die im vorwettbewerblichen Umfeld – beispielsweise den IIC- und LNI-4.0-Testbeds – erfolgreich getestet werden. Hirschmann hat einen ersten solchen Prototyp eines TSN Ethernet-Switches beispielsweise 2016 auf der Hannover Messe vorgestellt. Weiterhin sind inzwischen von auf dem Gebiet TSN führenden Unternehmen erste TSN-Seriengeräte verfügbar, so zum Beispiel die RSPE- und Octopus-II-Produktfamilien von Hirschmann.

Als Anwender kann man damit bereits heute Kernelemente von TSN im Detail evaluieren und die neuen Herausforderungen, die mit ihnen einhergehen, Schritt für Schritt erkennen und meistern.

Nutzerfreundliche Konfiguration – das A und O

Ein wesentlicher Faktor für den erfolgreichen Einsatz von TSN, ob mit OPC UA oder ohne, ist und bleibt jedoch die Konfiguration der verschiedenen Mechanismen. TSN ist keine Plug-&-Play-Technologie. Vielmehr müssen die unterschiedlichen Funktionen auf den Switchen und Endgeräten bedarfsgerecht konfiguriert werden, um die maximale Leistung und Kompatibilität zu erreichen.

Die grundlegenden Schnittstellen für die Konfiguration eines TSN-Netzwerks sind dabei bereits in den vorhandenen Spezifikationen der IEEE-802-TSN-Standards enthalten. Eine präzise Festlegung dieser Schnittstellen ist außerordentlich wichtig, denn nur so kann gewährleistet werden, dass später Werkzeuge zur Netzkonfiguration nahtlos mit Geräten unterschiedlicher Hersteller im selben Netzwerk zusammenarbeiten. Neben den Schnittstellen sind auch grundlegende Mechanismen zur Konfiguration beschrieben, beispielsweise die verteilte oder die zentrale Konfiguration von TSN-Netzwerken im Standard IEEE 802.1Qcc. Diese werden auch die technische Basis für die weiterführenden Arbeiten der OPC-FLC-Initiative sein.

Ein zentrales Ziel von OPC FLC ist es, die technischen Eigenschaften der Kommunikationstechnologie, der Steuerungs- und Regelungsapplikationen sowie der Geräte- und Netzwerkparametrierung mit den darüber liegenden Applikationsprotokollen zu verbinden. Dabei ist es eine große Herausforderung, Lücken oder Mehrdeutigkeiten in den unterliegenden Standards und Spezifikationen auszugleichen und sinnvoll zu ergänzen. Mit den Spezifikationen der OPC-FLC-Initiative ergibt sich für die Hersteller und Anwender eine gemeinsame, umfangreiche Definition von Protokollstapeln, Gerätemodellen und Konfigurationsschnittstellen – und dies in einer gemeinsamen, zueinander interoperablen Sprache.

Herstellerdifferenzierung auch mit OPC FLC

Bei aller Harmonie muss an dieser Stelle aber auch gefragt werden, worüber sich die einzelnen Hersteller in Zukunft noch differenzieren können bzw. werden. Schließlich wird nicht jeder Hersteller einer Industriesteuerung nur die OPC-UA-und-TSN-Einheitssteuerung bauen und vermarkten wollen.

Dies ist auch nicht das Ziel der gemeinsamen Arbeit der Hersteller in der OPC Foundation. Das Ziel ist vielmehr, die Interoperabilität zu gewährleisten, nicht die Austauschbarkeit der Geräte zu erreichen. Gemeinsam wollen sie sicherstellen, dass man den Endkunden Geräte innerhalb eines geteilten Ökosystems zur Verfügung stellen kann, die miteinander kommunizieren sowie parametriert und verwendet werden können. Die Fähigkeiten der Geräte werden sich auch weiterhin stark unterscheiden, und jeder Hersteller wird hier seinen eigenen Weg finden.

Bedeutung für die TSN-Netzwerkkonfiguration

Für die TSN-Netzkonfiguration ergeben sich in diesem Kontext ebenfalls eine Vielzahl an Möglichkeiten, sich zu differenzieren. Hersteller industrieller Netzwerkkomponenten wie beispielsweise Hirschmann müssen auf der einen Seite TSN-Switche anbieten, die in Hardware und Software die notwendigen TSN-Funktionen und -Konfigurationsschnittstellen anbieten. Zusätzlich können sie sich aber neben der Qualität der Produkte auch über Werkzeuge differenzieren, die die Netzwerkkonfiguration in einem TSN-Netzwerk vereinfachen und für die Anwender beherrschbar machen.

Die TSN-Netzkonfiguration in kleinen, übersichtlichen Netzwerken ist bereits heute werkzeuggestützt beispielsweise mit dem Netzmanagementsystem Industrial HiVision komfortabel möglich. Es ist aber bereits jetzt offensichtlich, dass TSN-Netzwerke künftig immer komplexer werden. Ein Grund hierfür ist nicht zuletzt die OPC-FLC-Initiative, die TSN-Netzwerke von der Feld- über die Controllerebene bis in das industrielle Backbone-Netzwerk ermöglicht. Weiterhin bedingt die lange Lebensdauer von Industrieanlagen, das OPC UA und TSN häufig stufenweise integriert werden. Daraus folgt, dass die Werkzeuge der Hersteller für die Parametrierung der Endgeräte sowie die Werkzeuge für die Netzkonfiguration diese Migrationspfade unterstützen müssen.

Integrations- und Migrationsszenarien

Der Erfolg von TSN und OPC UA sowie von Netzwerken in der Übergangsphase von Technologien wie Sercos III oder Ethercat hin zu OPC UA und TSN bis auf die Feldebene wird letztlich davon abhängen, dass die Hersteller die mit solchen Integrations- und Migrationsszenarien einhergehende Komplexität der Konfiguration mit Werkzeugen unterstützen, die die Arbeitsabläufe für die Anwender beherrschbar machen. Smarte Algorithmen sind dabei ebenso wichtig wie moderne, nutzerfreundliche grafische Benutzungsschnittstellen, welche die Nutzer im Zusammenspiel mit tiefgreifendem Domänenwissen bei der Netzwerkkonfiguration unterstützen und nach neuesten Erkenntnissen der Praxistauglichkeit entwickelt werden. Neuartige Konzepte wie die natürlichen Benutzungsschnittstellen (Natural User Interface, NUI) werden Einzug in die Automatisierung halten. NUIs erfordern von den Anwendern wenig bis gar keine Einarbeitungszeit und sind intuitiv nutzbar. Beispiel ist die fingergesteuerte Zoomfunktion bei Smartphones und Tablets. Diese Technologien werden vor allem dann erfolgreich sein, wenn sie die tägliche Arbeit mit den Netzwerken der Zukunft vereinfachen und diese für die Anwender intuitiv erfassbar machen. Aus diesem Grund ist die Arbeit mit und um TSN bei Hirschmann nicht nur auf die TSN-Funktionen in Switchen beschränkt, sondern befasst sich auch mit der praxistauglichen Netzkonfiguration. Langfristig wird nur über gute Praxistauglichkeit das gesamte Potenzial von OPC UA und TSN erschlossen werden können. ge

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