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Es steht außer Frage, dass das Industrial IoT einen erheblichen Wert für die Industrie birgt. Jedoch steht die Wertschöpfung in diesem Bereich noch am Anfang. Getriggert durch ihre Endkunden sind die Anbieter von Automatisierungstechnik dabei, die erste Aufgabe in modernen Industrial-IoT-Anwendungen zu lösen: eine durchgängige Kommunikation basierend auf offenen Standards. Time Sensitive Networking (TSN) in Kombination mit OPC UA schafft den zeitgenauen, horizontalen Zugriff auf Daten von Maschinen, Steuerungen und I/O-Systemen – unabhängig vom Hersteller der Geräte.

OPC UA TSN erfüllt alle Anforderungen, die eine moderne Fertigung an die Kommunikation stellt.

OPC UA ist eine offene Technologie und bereits heute in vielen Anwendungen im Einsatz. Fast alle Hersteller bieten OPC UA in ihren Steuerungen und anderen Produkten an. Die Technologie wird gemeinsam von vielen Herstellern unter dem Dach der Nutzerorganisation OPC Foundation verbreitet und weiterentwickelt. Maschinen- und Anlagenbetreiber begeben sich durch die Wahl einer bestimmten Kommunikationstechnologie nicht mehr in Abhängigkeiten, sondern profitieren von einem gleichberechtigten Zugang zur Technologie.

Mit der damit geschaffenen standardisierten Vernetzung von Systemen können sich die Maschinen- und Anlagenbetreiber auf neu auftretende Herausforderungen konzentrieren. Waren bisher durchschnittlich 30 bis 40 Knoten in einem Netzwerk vorhanden, werden es in Zukunft 1000 oder mehr Knoten sein.

Wachsende Knotenzahl

Diese gestiegene Anzahl von Knoten müssen sauber verwaltet und ausgesteuert werden. In dieser Herausforderung liegt die Möglichkeit der Automatisierungsanbieter, sich zu differenzieren und dem Kunden einen Mehrwert zu bieten. Software-Tools, die es ermöglichen, große Netzwerke inklusive aller Teilnehmer in kürzester Zeit in Betrieb zu nehmen, werden massiv an Bedeutung gewinnen. Zudem sollten diese Tools von Technikern ohne tiefergehendes IT-Know-how bedienbar sein.

Doch es ist nicht nur die Anzahl der Knoten, die rasant steigt, auch das Datenvolumen wird sich vervielfachen. Um bei dieser Datenflut weiterhin den Überblick zu behalten, reichen die bisher in der Industrie verwendeten Protokolle nicht mehr aus. An dieser Stelle bietet OPC UA einen entscheidenden Mehrwert.

Informationen statt Daten

Der große Pluspunkt von OPC UA liegt in den Informationsmodellen. Klassische Bussysteme übertragen dimensionslose Daten, also einfache Zahlen ohne Einheiten oder sonstige Informationen. Auf der Steuerung läuft eine Applikation, die diese Daten interpretiert. Wir sprechen in diesem Zusammenhang von einer semantischen Beschreibung der Daten.

So lange Maschinen unabhängig voneinander gearbeitet haben, war dieses Vorgehen absolut praktikabel. Doch sobald die Daten zu anderen Einheiten übertragen werden sollen – seien es andere Maschinen, SCADA-Systeme oder gar ERP-Systeme in der Cloud – geht dieses semantische Wissen verloren. Die Daten sind nur mehr dimensionslose Zahlen.

Weniger Fehler

Also wurden die semantischen Beschreibungen meist mit langen Tabellen oder sogar handschriftlich weitergegeben und in die anderen Systeme eingepflegt. Der Aufwand dafür ist immens und die Fehlerwahrscheinlichkeit sehr hoch. Mit OPC UA ist dieses Vorgehen überflüssig. Die Fehleranfälligkeit sinkt und flexible Maschinen- und Anlagenkonzepte lassen sich viel einfacher umsetzen.

Die OPC-UA-Informationsmodelle ermöglichen es, dass nicht nur einzelne Daten übertragen werden, sondern Informationen. Diese werden ohne weitere Erklärung von jedem Teilnehmer verstanden. Nehmen wir als Beispiel einen Sensor, der eine Temperatur von 5°C misst. Herkömmliche Protokolle übertragen den Wert „5“ als Datentyp Integer an die Steuerung. In der Steuerung ist gespeichert, dass es sich bei der übertragenen Zahl um einen Temperaturwert in °C handelt, der zudem bestimmte Grenzwerte hat.

Der Ansatz von OPC UA geht in eine andere Richtung: Der Wert „5“ wird inklusive der beschreibenden Daten zur Verfügung gestellt. In diesem Fall also mit der Information, dass es sich um einen Temperaturwert handelt, der in °C gemessen wurde und in welchen Grenzwerten sich der Wert bewegen soll.

Informationen auf Anfrage

Andere Teilnehmer im OPC-UA-Netzwerk können nun diese Informationen abfragen. Dies erhöht die Flexibilität in der Anwendung drastisch. Soll im ERP-System zum Beispiel ein neuer Report generiert werden, kann das ERP-System das Netzwerk nach Informationen durchsuchen – bei OPC UA wird dieser Vorgang als browsen bezeichnet. Die gefundenen Informationen können anschließend in einer Datenbank gesammelt und in dem Report dargestellt werden. Bisher war das nur möglich, wenn manuell eine Datenübertragung programmiert wurde und im ERP-System die semantischen Informationen zu jedem einzelnen Wert hinterlegt wurden. Wurde in der Maschine eine Variable geändert, musste auch im ERP-System neu programmiert werden. Das resultiert in einem statischen Systemaufbau.

Wir sehen also, dass OPC UA die Kommunikation von der Steuerungsebene zu übergeordneten Systemen massiv vereinfacht. Es gilt allerdings noch eine weitere Herausforderung zu lösen: Wenn übergeordnete Systeme aus dem IT-Bereich Anfragen in das Maschinennetzwerk schicken – in diesem Zusammenhang auch als OT bezeichnet – steigt die Netzwerklast.

Wenn in einem IT-Netzwerk Verzögerungen im Millisekundenbereich entstehen, ist das im Normalfall unproblematisch. Bei hochpräzise getakteten Maschinenprozessen ist eine Genauigkeit im Sub-Millisekundenbereich jedoch essenziell. Verzögerungen im Millisekundenbereich führen sofort zu Stillständen, Qualitätsminderungen oder im schlimmsten Fall sogar zu Gefahren für Mensch und Maschine. Aus diesem Grund finden wir bisher in nahezu jeder Produktion eine klare Trennung zwischen IT- und OT-Netzwerk. In den IT-Netzwerken fehlen die zeitliche Exaktheit und der zyklische Datenverkehr – zwei Eigenschaften, die auf Maschinenebene zwingend notwendig sind.

Ein gemeinsames Netzwerk

In der IT wird auf das sogenannte Best-Effort-Prinzip gesetzt. Alle Datenpakete werden schnellstmöglich und mit der gleichen Priorität weiterverschickt. Ist die Kapazität an einer Stelle des Netzwerkes erschöpft, kommt es zu Staus. Das darf in einem Maschinennetzwerk nicht passieren. Best Effort und deterministisch zyklischer Datenverkehr über eine Infrastruktur waren bisher nicht möglich. Mit Time Sensitive Networking (TSN) wird sich das jedoch ändern. Unter der Bezeichnung TSN werden mehrere Erweiterungen des Ethernet-Standards zusammengefasst, durch die sich zukünftig allgemeine Daten und zeitkritische Daten über ein gemeinsames Netzwerk übertragen lassen.

Um ein Netzwerk mit deterministischem Verhalten auszustatten, müssen alle Teilnehmer ein einheitliches zeitliches Verständnis haben. Dafür wurde der Standard IEEE 802.1 AS-Rev entwickelt. Er beschreibt einen Mechanismus, mit dem die Uhren aller Teilnehmer im Netzwerk synchronisiert werden. So wird eine einheitliche Netzwerkzeit geschaffen.

Als nächstes muss dem deterministischen Datenverkehr im Netzwerk Vorrang gewährt werden. Dafür sorgen die Standards IEEE802.1 Qbv und Qba. Sie regeln, dass die Netzwerkswitches die Queues so abarbeiten, dass der deterministische Datenverkehr in einer garantierten Zeitspanne weitergeleitet wird und der restliche Verkehr gegebenenfalls warten muss.

Um die Konfiguration eines solchen Netzwerkes zu standardisieren, kommt das Stream Reservation Protocol IEEE802.1Qcc zum Einsatz. Es ermöglicht standardisierte Schnittstellen und Mechanismen zur Konfiguration. Als Konfigurationsprotokoll wird NETCONF via TLS verwendet.

Bandbreitensorgen adé

Kombiniert man die oben genannten Mechanismen in einem Netzwerk, wird eine Übertragung von zeitkritischen und zyklischen Daten auf der gleichen Physik und gleichzeitig mit der Übertragung von nicht-zeitkritischen Daten möglich. Da moderne Produktionsnetzwerke auf Gigabit-Ethernet oder sogar höhere Übertragungsraten aufsetzen, wird so gleichzeitig der Flaschenhals der Bandbreite aufgelöst. Dieser ist mittlerweile nicht nur bei den klassischen Feldbussen sondern auch bei Industrial-Ethernet-Protokollen erreicht, die auf 100 Mbit/s-Übertragung basieren.

Die Kombination von OPC UA und TSN werden in der Automatisierung von Produktionsstätten neue Architekturen ermöglichen. Es ist zu erwarten, dass die bisher bestehenden Grenzen zwischen IT und OT zunehmend verschwinden. Dies gilt übrigens nicht nur für neue Anlagen, die bereits vollvernetzt installiert werden, sondern auch für Bestandsanlagen, sogenannte Brownfields. So ermöglicht die Orange Box von B&R, dass Bestandsanlagen sich über OPC UA in Produktionsnetzwerke einbinden lassen. Veränderungen an der bestehenden Maschine sind dazu nicht notwendig.

I/O-Geräte mit OPC UA TSN

B&R bringt sich aktiv bei der Entwicklung von OPC UA und TSN ein und ist federführend bei den ersten Feldtests beteiligt, bei denendie Kombination der Technologien TSN und OPC UA getestet wird. B&R sieht in OPC UA TSN riesiges Potenzial für Maschinen- und Anlagenbetreiber und treibt die Umsetzung dieser Technologie mit großen Schritten voran.

Prototypen unserer Geräte sind bereits seit längerem mit Geräten weiterer Hersteller aus IT und OT in Testinstallationen im Einsatz. Die Prototypen werden zum Beispiel im TSN-Testbed des Industrial Internet Consortiums (IIC) auf Interoperabilität getestet. Die aus den Testinstallationen gewonnen Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen das Potenzial der Technologie in vollem Umfang: Zusätzlich zu den bereits gegebenen Möglichkeiten von OPC UA sind schnelle Zykluszeiten und ein niedriger Jitter der Übertragungsschicht in greifbarer Nähe.

OPC UA TSN ermöglicht die durchgehende horizontale Vernetzung einer Produktion.

Autor: Sebastian Sachse, Technology Manager Open Automation bei B&R

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