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Erste Praxisversuche mit OPC UA over TSN haben gezeigt, dass die neue Technologie im Durchschnitt 18-mal schneller ist als alle bisher verfügbaren Möglichkeiten der industriellen Kommunikation. Dabei stellen sich viele Hersteller von Maschinen und Geräten die Frage, ob dieser Performancesprung überhaupt notwendig ist. Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, haben wir mit einem führenden Experten der neuen Technologie gesprochen: Dietmar Bruckner.

Herr Bruckner, ist ein so leistungsfähiges Kommunikationsprotokoll wie OPC UA over TSN aus Ihrer Sicht denn tatsächlich notwendig?

Bruckner: Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es noch keine Applikation, die tatsächlich die 18-fache Performance bisheriger Industrial-Ethernet-Protokolle benötigt. Dennoch ist meine Antwort auf Ihre Frage ein ganz klares Ja.

Das müssen Sie uns bitte ein wenig genauer erklären.

Bruckner: Um die Anforderungen der nächsten zwei bis drei Jahre zu erfüllen, würde es reichen, bestehende Protokolle etwas schneller zu machen. Aber das wäre zu kurz gedacht. Mit dem Erfolgszug von OPC UA erlebt die Kommunikation in der industriellen Produktion gerade den größten Umbruch seit der Einführung der Feldbusse. Wenn wir uns die Lebensdauer der Feldbusse und Industrial-Ethernet-Protokolle anschauen, wird uns OPC UA over TSN mehrere Dekaden lang begleiten.

Was bedeutet das für die Performance des Protokolls?

Bruckner: Ein zukunftsfähiges Protokoll muss aus Gründen der Investitionssicherheit für die Performance-Anforderungen der nächsten 20 Jahre gerüstet sein. Keiner der Beteiligten hat ein Interesse daran, dass wir jetzt einen Standard definieren, den wir in fünf Jahren bereits grundlegend überarbeiten müssen, weil die Performance- und Bandbreitenanforderungen der Applikationen immer größer werden. Deswegen sind wir so dahinter, dass OPC UA over TSN von Anfang an ein Maximum an Performance bietet.

Der Interviewpartner

Dietmar Bruckner hat rund 100 wissenschaftliche Publikationen verfasst und hält mehrere Patente im Bereich industrielle Echtzeitkommunikation. Er ist aktives Mitglied in verschiedenen Standardisierungsgremien und Arbeitsgruppen – unter anderem bei der IEEE und der OPC Foundation. Beim Automatisierungsanbieter B&R verantwortet Bruckner die Entwicklungstätigkeiten im Bereich Echtzeitkommunikation.

Was genau verstehen Sie unter Performance?

Bruckner: Dazu zählen mehrere Aspekte, wobei ganz klar eine Kenngröße die wichtigste Rolle spielt: die minimal erreichbare Zykluszeit. So lange eine Applikation nur wenige Netzwerkteilnehmer hat, können auch aktuelle Industrial-Ethernet-Protokolle mit 100 MBit sehr kurze Zykluszeiten erreichen. Aber aufgrund der aktuellen Marktentwicklungen gehen wir davon aus, dass Maschinen und Anlagen mit mehreren hundert oder gar tausend Netzwerkteilnehmern immer mehr werden.

Woher kommt das?

Bruckner: Maschinen werden immer intelligenter und flexibler – nur so können sie den Anforderungen des Marktes noch gerecht werden. Daher verbauen die Hersteller immer mehr Sensoren und Aktuatoren. Viele davon sind als sogenannte intelligente Geräte direkt in das Maschinennetzwerk eingebunden. Bereits jetzt gibt es Maschinen, die mehr als 1.000 Achsen synchronisieren. Das sind dann genau die Fälle, in denen die Zykluszeiten mit bisherigen Methoden auf deutlich über eine Millisekunde steigen. Für manche Prozesse ist das zu langsam. Deswegen brauchen wir ein leistungsstarkes und performantes Maschinennetzwerk.

TSN und die Rolle der IEEE

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) verantwortet die Standardisierung zahlreicher weltweit genutzter Kommunikationstechnologien, zum Beispiel Ethernet, WLAN und Bluetooth. Die Standardisierung durch die IEEE garantiert, dass beliebige Geräte herstellerübergreifend miteinander kommunizieren können.

Durch Time-Sensitive Networking (TSN) wird Ethernet um Mechanismen für die garantierte Echtzeitübertragung von Daten erweitert. Die dafür benötigten Funktionen wurden von der IEEE als Unterstandards in den Ethernet-Standard IEEE 802.1 aufgenommen. Daher können TSN-Geräte beliebiger Hersteller in Echtzeit miteinander kommunizieren.

Welche Rolle spielt die Bandbreite?

Bruckner: Für den Anwender eine immer größere: Industrielle Bildverarbeitung, Big Data und vorausschauende Wartung zum Beispiel erzeugen viele Daten. Da kommen die aktuellen 100-Mbit-Busse schnell an ihre Kapazitätsgrenzen. Und einen weiteren Aspekt dürfen wir auch nicht vernachlässigen: Je offener die Netzwerke sind, desto wichtiger ist es, dass alle Komponenten im Feld jederzeit mit Security- und Betriebssystem-Patches versorgt werden. Auch dafür muss ausreichend Bandbreite zur Verfügung stehen.

Wie geht OPC UA over TSN mit diesem steigenden Bandbreitenhunger um?

Bruckner: An dieser Stelle kommt ein weiterer Vorteil von TSN zum Tragen: Diese Technologien sind unabhängig von der Bandbreite. Dem Anwender steht die volle Bandbreite zur Verfügung, die die verwendete Ethernet-Hardware erlaubt, egal ob das 1 GBit/s, 2,5 GBit/s oder in Zukunft sogar noch mehr sind.

Lässt sich das nicht auch mit Weiterentwicklungen bestehender Feldbusse erreichen?

Bruckner: Nein, denn die Limits dieser konventionellen Systeme lassen sich nicht außer Kraft setzen, indem sie auf 1 oder 10 Gbit/s hochskaliert werden. Das lassen die starren Arbitrierungsverfahren eines herkömmlichen Bus-Systems mit zentralem Master und fixer Zyklusaufteilung nicht zu. Bitte bedenken Sie: Das Prinzip der Feldbusse stammt aus den 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts. Bei der Planung und Verwaltung eines TSN-Netzwerks hingegen kann man auf moderne IT-Infrastruktur-Mechanismen setzen. Daher ist OPC UA over TSN immer noch doppelt so schnell wie das schnellste Gigabit-Feldbus-Protokoll.

Gestatten Sie mir noch eine letzte Frage: Ist OPC UA over TSN tatsächlich einsatzbereit? Es gibt diverse Stimmen, die sagen, dass die Standardisierung noch ein gutes Stück entfernt ist.

Bruckner: OPC UA over TSN ist fertig spezifiziert und einsatzbereit. Die IEEE hat im Dezember 2019 die Arbeit an der 802.1AS-2020 abgeschlossen. Das war der letzte wichtige Puzzlestein, um OPC UA over TSN zu vervollständig. Der Standard IEEE 802.1Qbv – der Dreh- und Angelpunkt aller Performancethemen von TSN – ist übrigens bereits seit 2016 verabschiedet. Im März 2020 hat B&R als erster Hersteller Steuerungen verkauft, die OPC UA over TSN sprechen.

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