Plug & Produce durch OPC UA & TSN Endlich eine Sprache sprechen

Eine übermittelte Zahl ist erst einmal nur ein Datentyp. Steht dabei, dass es sich hier um eine Temperatur in Grad Celsius handelt und in welchen Grenzen sie sich bewegen darf, dann wird sie auch für andere Teilnehmer im Netzwerk interessant. Dank OPC UA (OPC Unified Architecture) kann jede Netzwerkkomponente solche Datenpakete abrufen, ohne manuelle Programmierung oder dass ergänzenden Informationen zu jedem Wert dazu gepackt werden müssten. Und dies ist die Voraussetzung für eine smarte Vernetzung, wie Industrie 4.0 sie verlangt.

Damit das klappt muss OPC UA plattformneutral und einfach in bestehende Systeme zu integrieren sein. Das bedeutet aber auch, dass sich auch ältere Systeme einbinden lassen und neue schneller zu implementieren sind. Bei Feldbussen war es ähnlich und irgendwann kam dann auch hier die Einsicht, dass ein weltweit gültiger, einheitlicher Standard die Lösung ist. So kam zu OPC UA noch TSN (Time-Sensitive Networking).

„Die Vision war eine offene, schnittstellenfreie Kommunikation vom Sensor zur Cloud – inklusive der notwendigen Echtzeiteigenschaften für hochsynchrone Antriebstechnik“, fasst Sebastian Sachse, Technology Manager Open Automation bei B&R, die Anforderungen zusammen. Und er verweist auf die Herausforderung großer Echtzeitnetzwerke in Produktionsanlagen: Denn je mehr Knoten das Netzwerk hat, umso komplexer, aufwendiger und teurer wird das Engineering. Dazu wächst stetig die Zahl der Netzwerkteilnehmer und das Datenvolumen. Abhilfe schafft hier die Erweiterung des Ethernet-Standards um TSN in Kombination mit OPC UA.

Wichtige Anforderungen hier sind die zeitliche Synchronisation, das zeitlich exakt getaktete Verschicken der Datenpakete und das automatische Konfigurieren des Systems, wenn nötig. „Bei der Zeitsynchronisation schafften wir eine Genauigkeit von weniger als 100 Nanosekunden und die liegt damit gleichauf mit den besten verfügbaren Feldbussen“, freut sich Sebastian Sachse.

Bei der Steuerung von Datenpaketen sorgt ein sogenannter Time-Aware-Scheduler für generelle Vorfahrt zeitkritischer Daten. Dank der dynamischen Netzwerkkonfiguration muss sich ein neues Gerät im Netzwerk beim Netzwerkkonfigurator nur anmelden, der Rest passiert automatisch. Sebastian Sachse: „OPC UA TSN als einheitlicher Standard wird die Kommunikation oberhalb der Steuerungsebene vollständig standardisieren und die Inbetriebnahme von Komponenten massiv vereinfachen. Man muss nur noch das Netzwerkkabel einstecken und schon funktioniert die Kommunikation im ganzen Netzwerk.“

Die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit von OPC UA hängen vom Anwendungsfall ab. „Im laufenden Betrieb kann die Echtzeitkommunikation zwischen Spritzgießmaschine und Roboter bedeutend für den gesamten Produktionsprozess sein“, weiß Dr. Christian Mosch, Projektmanager Industrie 4.0 Standardisierung beim VDMA. Aber es sei beispielsweise nicht zwangsläufig notwendig, dass die Spritzgießmaschine dem Leitsystem seine Eigenschaften im Nanosekundenbereich mitteilt.

Wo die Reise hingeht

Auch bei OPC UA selbst steht noch viel Arbeit an. Umfangreichster Bereich ist die Entwicklung der Companion Specifications (CS). „Ausdetaillierte CSs liegen bereits für Robotik, Industrielle Bildverarbeitung, Kunststoff- und Gummimaschinen und Werkzeugmaschinen vor. Diese sind, wenn auch teilweise als Entwurf vorliegend, belastbar“, fasst Christian Mosch zusammen. So steht das OPC CS for Robotics für ein komplettes Motion Device System mit einer Liste von Kinematiken. Diese können bereits existierende oder fiktive zukünftige Robotertypen sein – egal ob stationär, mobil oder mit mehreren Steuerungen. „Die ersten CS finden im Wesentlichen schon heute ihren Einsatz. Und mit kommenden technischen Neuerungen der Produkte des Maschinen- und Anlagenbaus werden diese auch zukünftig kontinuierlich weiterspezifiziert“, so Christian Mosch.

Heinrich Munz, Lead Architect Industrie 4.0 bei Kuka, bemerkt: „Während die technischen Randaspekte schnell lösbar waren, lagen die zeitaufwändigen Themen hauptsächlich in der Abstimmung und Konsensbildung der unter dem Dach des VDMA zusammenarbeitenden Firmen.“ Die Diskussionen, welche Daten in welcher Form über OPC UA bereitgestellt werden sollen und ob diese im Sinne des Standards vorgeschrieben oder optional sein sollen, habe Zeit in Anspruch genommen.

Allerdings verlangen die Anforderung einer echtzeitfähigen Kommunikation in OPC  UA eine Erweiterung. Bei OPC UA fragt bisher der Client und der Server antwortet. Bei vielen Teilnehmern im Netzwerk kann dann leicht das Kommunikationsaufkommen explodieren und das System blockiert. Bei dem Publish/Subscribe-Modell sendet ein Server seine Daten in das Netzwerk (Publish) und jeder Client kann diese Daten empfangen (Subscribe). Daher muss keine ressourcenintensive Dauerverbindung zwischen Client und Server bestehen und die Kommunikation wird schneller.

„Eine weitere Gehrichtung ist OPC UA auf der Feldebene zu implementieren“, bemerkt Matthias Prinzen, Produktmanagement Elektrische Automatisierung bei Festo. „Diese Implementierungen sind momentan noch nicht so performant wie die bestehenden Ethernet-Feldbusse. Mit einem Faktor 10 – 100 bei der Latenzzeit ist zu rechnen, was oft an der Komplexität des Protokoll-Stacks liegt.“

Im November 2018 wurde dazu die Initiative Field Level Communication (FLC) gegründet. Deren Vision ist es, eine offene einheitliche, sichere und standardbasierte IIoT-Kommunikationslösung zwischen Sensoren, Aktoren, Controllern und einer Cloud anzustreben. „OPC UA & TSN bis in die Feldebene ist optimal für Industriekunden als eine wichtige Säule zukünftiger industrieller IoT-Architekturen, die eine offene, einheitliche, standardisierte Kommunikation von Sensoren, Aktuatoren, Steuerungen zur Cloud und von Steuerungen zu Steuerungen gewährleistet“, so Matthias Prinzen.

Automobilbranche gibt Tempo vor

Es ist möglich, OPC UA echtzeitfähig zu machen, indem man es auf Time Sensitive Networking (TSN) und Gigabit Ethernet aufsetzt. Zum Glück für TSN sind die Autobauer richtig wild auf diesen Standard. Der Grund ist, dass die im Auto zu übertragenden Datenmengen exponentiell steigen und die bisherigen Bussysteme zum Flaschenhals werden, speziell unter den Anforderungen des Autonomen Fahrens.

Speziell die Maschinenbauer sind auf Echtzeitfähigkeit angewiesen, denn die kontrollierende Software muss die Bewegungen teilweise im Sub-Millisekundenbereich steuern und regeln. Dazu kommt, dass um Industrie 4.0 willen manche Netzwerkknoten in Zukunft mobil sein und sich in Echtzeit mit festinstallierten Knoten austauschen müssen, wie beispielsweise fahrerlose Transsportsysteme mit immobilen Robotern. Und das erfordert Selbstkonfiguration. Wie lange wird es dauern, bis TSN sich im Verbund mit OPC UA durchsetzt? Da wollte sich keiner festlegen. So maximal drei bis fünf Jahre, meinte man, wobei die Automobilindustrie das sicher beschleunigen wird.

Ist der Vorteil von OPC UA & TSN auch monetär zu ermitteln? „Eher nicht, wenn es um die Einführung von Gigabit Ethernet gegenüber den heute im industriellen Umfeld maßgeblich verwendeten 100 MBps Ethernet Systemen geht “, so Matthias Prinzen. Jedoch könnten auf lange Sicht die Entwicklungskosten sinken, weil Gerätehersteller nur noch eine statt bisher fünf oder mehr standardisierte Kommunikationsschnittstellen implementieren.