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OPC UA FLC Migration zum Vorteil aller Anwender

Quo Vadis, OPC UA FLC und TSN – herstellerneutrale Kommunikationstechnologie
Migrationsstrategien für den Umstieg

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Der Paukenschlag erfolgte zur SPS 2018: In einer Pressekonferenz der OPC Foundation wurde die Gründung der OPC Field Level Communication Initiative (FLC) bekanntgegeben. In einer bislang in der Industrieautomatisierung beispiellosen Ankündigung definierten die führenden Hersteller der Branche das Ziel, gemeinsam an einer herstellerneutralen Kommunikationstechnologie der Zukunft zu arbeiten.

Dr. Oliver Kleineberg, Advanced Development Manager bei Belden Electronics GmbH in Neckartenzlingen

Inhaltsverzeichnis

1. Herstellerneutrales Ökosystem
2. Unterschiedliche Lösungswege
3. Prototypen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen
4. Geeignete Migrationsstrategien

Seit diesem Zeitpunkt ist klar: An OPC UA und TSN führt in Zukunft kein Weg vorbei. Schließlich repräsentieren alle Teilnehmer zusammen genommen über 80 % des Automatisierungsmarktes. Es handelt sich also um ein ungeheures Versprechen beinahe aller großen Anbieter, in Zukunft auf eine universelle, interoperable Lösung zu setzen – zum Vorteil aller Anwender. Diese erwartet dadurch eine erhöhte Flexibilität bei der Auswahl an Komponenten und der Einsetzbarkeit von Geräten und Softwarelösungen.

Allerdings entstehen genau dadurch unweigerlich Fragen eben dieser Anwender, die heute bereits existierende Produkte einsetzen. Lösungen wie beispielsweise Profinet, Ethernet/IP oder Powerlink realisieren bereits einen Teil der technischen Anforderungen, die von OPC UA FLC zukünftig abgedeckt werden und sind auf breiter Basis im produktiven Einsatz. Jedoch sind diese Lösungen an unterschiedlichen Punkten zueinander inkompatibel, meistens bereits auf der Bitübertragungs- und Sicherungsschicht.

Herstellerneutrales Ökosystem

OPC UA FLC verspricht, diese Inkompatibilität zu beenden und ein universelles, herstellerneutrales Ökosystem zu schaffen, in dem die Geräte unterschiedlicher Hersteller auf noch höherem Leistungsniveau miteinander kommunizieren können. Die Frage, die sich dadurch stellt, ist: Wie gestaltet sich der Weg der Anwender, heraus aus einem zwar funktionierenden, aber abgeschotteten Ökosystem hinein in die offene, leistungsfähigere Kommunikationswelt der Zukunft? Insbesondere die heute erfolgreichen Ökosysteme wie beispielsweise Profinet, Etherct oder Ethernet/IP müssen die Vorteile der neuen Lösung aufzeigen, Vorbehalte und Ängste der Benutzer überwinden und die richtigen Werkzeuge anbieten, um diesen Wechsel zu ermöglichen. Um die berechtigten Vorbehalte der Benutzer aufzulösen, ist eine solide technische Migrationslösung unabdingbar, denn nur in wenigen Fällen wird eine Anlage „auf der grünen Wiese“ vollständig neu aufgebaut. Dies bedeutet, dass Automatisierungskomponenten aus der „alten“ und der „neuen“ Welt miteinander kommunizieren müssen. Die Hersteller müssen hierzu zwei Herausforderungen meistern:

  • Die Bitübertragungs- und Sicherungsschicht der etablierten Industrietechnologie und TSN müssen zueinander kompatibel gestaltet werden, um die Koexistenz in einem Netzwerk zu ermöglichen
  • Die Konfigurationswerkzeuge, beispielsweise zur Parametrierung, müssen die darunter liegende Kommunikationstechnologie abstrahieren. Geräte der alten und der neuen Technologie müssen mit dem gleichen Werkzeug konfiguriert werden können.

Unterschiedliche Lösungswege

Die Lösung der ersten Herausforderung kann unterschiedlich komplex ausfallen, da unterschiedliche Lösungswege existieren. Die zwei üblichen Lösungsbeispiele sind die des Applikationsgateways und der universellen Steuerung:

  • Im Fall des Applikationsgateway sind die zwei Netzwerke – das „neue“ OPC-UA-FLC-Netzwerk mit TSN und das „alte“ Netzwerk mit einer Ethernet-basierten Feldbustechnologie – über ein Applikationsgateway miteinander verbunden. Das Gateway hat jeweils eine Kommunikationsschnittstelle in beide Netze. Die Kommunikation zwischen den Geräten des alten und des neuen Netzwerks durchläuft stets das Gateway. Dieses übersetzt die Kommunikationstelegramme beim Übergang zwischen den zwei Welten in eine jeweils verständliche Syntax und Semantik. Einzelne Hersteller wie beispielsweise Beckhoff haben bereits Lösungen vorgestellt, die klassische Applikationsbeziehungen und die Registrierung von TSN Kommunikationsströmen über ein solches Gateway miteinander vereinen.
  • Im Fall der universellen Steuerung sind beide Netzwerke ohne Gateway miteinander verbunden. Beispielsweise könnte eine Linie aus Antrieben mit einer Sercos-III-Schnittstelle direkt an einen TSN-fähigen Ethernet Switch angeschlossen sein. Zusätzlich könnten Geräte mit nativer TSN-Unterstützung mit anderen Ports des Switches bzw. des TSN-Netzwerks verbunden werden. In diesem Fall schlägt die Steuerung die Brücke zwischen den zwei Welten und steuert die Geräte jeweils mit Datenpaketen an, die von diesen Geräten interpretiert und akzeptiert werden. Weiterhin muss der Controller die Zeitdomänen der TSN-Geräte und der Ethernet-Feldbus-Geräte miteinander verbinden, beispielsweise durch eine Konfiguration der TSN-Zyklen nach den Vorgaben des Ethernet-Feldbus. Zusätzlich muss die Konfiguration der TSN-Switche, je nach Anforderungen der Ethernet-Feldbustechnologie, besondere Anforderungen des Paketlaufs durch das Netzwerk durch Multicast- oder VLAN-Konfiguration berücksichtigen.

Prototypen mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen

Beide Lösungen sind in Prototypen und ersten Produkten erprobt und weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Welche Lösung schlussendlich durch den Anbieter eines existierenden Ökosystems gewählt wird, hängt von den individuellen Vor- und Nachteilen für die eingesetzte Technologie ab. Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden reine Verbünde aus neuen Geräten eine höhere Leistung erreichen können als die Kombination aus alter und neuer Technologie – allerdings wird die Rückwärtskompatibilität, sowohl in der Kommunikation als auch in der Konfiguration, der Schlüssel zum langfristigen Erfolg sein.

Daher ist die Lösung der zweiten Herausforderung mindestens ebenso wichtig: die Möglichkeit der durchgängigen Konfiguration eines heterogenen Netzwerks mit alter und neuer Technologie. Aus Sicht der Applikation müssen sowohl alte als auch neue Geräte ohne Hürde oder größere funktionale Einschränkungen zusammenarbeiten und vom Anwender konfigurierbar sein. Im Idealfall merkt der Anwender nicht einmal, dass ein Gerät aus der „alten Welt“ mit einem Gerät aus der „neuen Welt“ kommuniziert.

Um dies zu realisieren, sind wieder die Institutionen des jeweiligen Ökosystems gefragt, also beispielsweise Sercos International oder die PNO. Sie müssen die technischen Spezifikation erarbeiten und unter den verschiedenen technischen Möglichkeiten zur Umsetzung der Migration die Option auswählen, die am besten zum eigenen Ökosystem, den typischen Anwendungsfällen und der Kundenbasis passt.

Geeignete Migrationsstrategien

Für Anwender heute gilt vor allem die Devise, nicht in Panik oder blanken Aktionismus zu verfallen. Die heute getätigten Investitionen in Automatisierungskomponenten werden nicht über Nacht entwertet, sondern werden einen ganz normalen Lebenszyklus durchlaufen. Es ist allerdings wichtig für die Anwender, sich bei den großen Automatisierungsherstellern zu erkundigen, wie die Migrationsstrategie für die eigenen Produkte aussieht. Weiterhin sollte bei Neuplanungen von Anlagen und Netzwerken bereits auf die Verfügbarkeit neuer Technologien in Produkten geachtet werden, wie beispielsweise das Vorhandensein bestimmter TSN Features in Switchen und Endgeräten.

Die technologische Offenheit des Ökosystems „OPC UA und TSN“ ermöglicht die Migration weg von getrennten Insellösungen hin zu einem gemeinsamen Automatisierungsnetzwerk. Die Migrationsstrategien sind ein erster Schritt für alle Anbieter, sich auf die Bestandteile des Automatisierungssystems zu konzentrieren, die in Zukunft ein zentraler Teil der Wertschöpfung sein werden: sehr gute Gebrauchstauglichkeit und der Fokus auf den Anwendungen. ge

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Belden Electronics GmbH
Stuttgarter Straße 45-51
72654 Neckartenzlingen
Tel.: +49-7127-14-0
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