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OPC UA für Motion, Safety und Echtzeit-Anwendungen

OPC UA ist weit verbreitet: Die Kommunikationslösung wird aufgrund der Herstellerunabhängigkeit, dem Informationsmodell und den integrierten Cyber-Security-Mechanismen bereits heute für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt.

Bei komplexen Anwendungen wie Safety, Motion oder bei der Übertragung von Echtzeitdaten ist OPC UA bisher an seine Grenzen gestoßen. Durch die Erweiterung um das Publish/Subscribe-Modell (Pub/Sub) und den Ethernet-Standard Time-Sensitive-Networking (TSN) wird OPC UA zum echtzeitfähigen Kommunikationsstandard.

Publish/Subscribe-Modell

OPC UA arbeitete bisher mit einem Client/Server-Mechanismus: Ein Client sendet eine Anfrage zum Server. Dieser bearbeitet die Anfrage und sendet dann eine Antwort zurück an den Client. Der Client/Server-Mechanismus stößt unter anderem an seine Grenzen, wenn das Netzwerk viele Teilnehmer hat.

Daher wurde die Kommunikationslösung OPC UA um eine Publish/Subscribe-Architektur ergänzt. Das Publish/Subscribe-Modell ermöglicht eine One-to-many- sowie eine Many-to-many-Kommunikation. Ein Server sendet seine Daten in das Netzwerk (Publish) und jeder Client kann diese Daten empfangen (Subscribe).

Beim Client/Server-Mechanismus fragt ein Client eine Information an (Request) und erhält eine Antwort von einem Server (Response).
Beim Publish/Subscribe-Modell sendet ein Server seine Daten in das Netzwerk (Publish) und jeder Client kann diese Daten empfangen (Subscribe).

Echtzeitfähigkeit für Standard-Ethernet

Das Publish/Subscribe-Modell alleine ist nicht ausreichend, um eine Echtzeitfähigkeit für OPC UA zu erreichen. Daher setzt die OPC Foundation auf Time-Sensitive-Networking (TSN). Dabei wird der Ethernet-Standard IEEE 802 um diverse Echtzeitfunktionen ergänzt. Es kann unter anderem ein exaktes Zeitfenster angegeben werden zu dem die Daten übertragen werden. Die für viele Anwendungen notwendigen TSN-Standards wurden bereits von der IEEE-Arbeitsgruppe 802.1 veröffentlicht.

Herstellerübergreifende Motion-, Safety- und Echtzeitanwendungen

Um einen kohärenten, offenen Ansatz für die Implementierung von OPC UA zusammen mit TSN und den zugehörigen Anwendungsprofilen zu gewährleisten, hat die OPC Foundation die Initiative Field Level Communications gestartet. In den Arbeitsgruppen der Initiative für Field Level Communications standardisiert man derzeit die einheitliche Funktionalität von I/O-, Motion- und Safety-Anwendungen.

Das Steering Committee der OPC Foundation für die Field Level Communications besteht aus 24 führenden Technologieanbietern der Automatisierungsbranche. Dazu zählen ABB, Beckhoff, Bosch-Rexroth, B&R, Cisco, Hilscher, Hirschmann, Huawei, Intel, Kalycito, KUKA, Mitsubishi Electric, Molex, Murr Elektronik, Moxa, Omron, Phoenix Contact, Pilz, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, TTTech, Wago und Yokogawa. Als Leiter der Initiative treibt Peter Lutz die Entwicklung und Spezifizierung stetig voran.

Anwendungen von heute und morgen einfach lösen

OPC UA over TSN hat 18x mehr Performance im Vergleich zu anderen Protokollen. Damit können zeitkritische Anwendungen, wie die Synchronisierung eines Roboters mit einem intelligenten Track-System ermöglicht werden.

Schnelle zentrale Antriebskonzepte lassen sich mit OPC UA over TSN genauso lösen, wie intelligente dezentrale Architekturen. Damit übertrifft OPC UA over TSN alle anderen gängigen Protokolle. Der Durchsatz einer Maschine steigt und die Produktqualität wird verbessert.

Testbeds als Funktionstest

Auch abseits der OPC-Foundation-Arbeitsgruppen beschäftigen sich zahlreiche Unternehmen mit der Implementierung des neuen Kommunikationsstandards. In sogenannten Testbeds testen Hersteller von Steuerungen, Feldgeräten und Infrastruktur ihre Prototypen auf Interoperabilität zu deren Marktbegleitern. Testbeds sind somit eine optimale Möglichkeit für Gerätehersteller, um die Produktentwicklung mit der neuen Kommunikationslösung effizient und kontrolliert voranzutreiben. Die derzeit aktivsten TSN-Testbeds stehen unter der Leitung des IIC und des LNI.

Mehr zum Thema

In den FAQ über OPC UA over TSN erklärt der Netzwerkspezialist Stefan Bina, warum der neue einheitliche Standard für die nächste industrielle Revolution notwendig ist.

Im Whitepaper über OPC UA over TSN ist das Zusammenspiel der einzelnen Mechanismen genauer beschrieben.

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