Publisher/Subscriber-Modell Hürdenlose Kommunikation für das IIoT

OPC UA ist die ideale Lösung für die vielfältigen Wünsche und Anforderungen der Industrie. Die überarbeitete und erweiterte Version des OPC-Standards ist als Technologie zum Datenaustausch des Industrial Internet of Things (IIoT) und für Industrie-4.0-Anwendungen vorgesehen und verfügt über großes Zukunftspotenzial. Mögliche Szenarien einer IIoT-Implementierung zeigen aber, dass die Kommunikationsanforderungen nicht optimal durch die im aktuellen OPC UA-Standard definierten Kommunikationsfähigkeiten abgedeckt werden. Dazu gehören Szenarien, die Kommunikationsprinzipien wie Einer-an-Viele (One-to-Many), Viele-an-Einen (Many-to-One) und Viele-an-Viele (Many-to-Many) erfordern. In solchen Fällen eignet sich das Publisher/Subscriber-Modell besser für IIoT-Implementierungen als die im OPC UA-Standard definierte Client/Server-Architektur.

Anforderungen steigen

Im Folgenden werden auszugsweise Anwendungsfälle mit Datenaustauschanforderungen dargestellt, die OPC UA-Client/Server-Fähigkeiten übersteigen. Bei der „Öffentlichen Subskription“ zum Beispiel benötigen viele Clients für eine Liste von Variablen Informationen über Konfigurationsänderungen. Der Datenaustausch erfolgt nach der Erstinbetriebnahme und bei jeder Konfigurationsänderung. Mit dieser Situation geht das Client/Server-Modell nicht sehr effizient um, da sehr viele Client/Server-Verbindungen hergestellt werden müssen. Jeder Client muss dafür Speicherplatz zum Speichern der Verbindungsdaten und der jeweiligen Variablenwerte bereitstellen. Zudem wird der Serverprozessor damit belastet, Nachrichten für alle bestehenden Verbindungen bereitzustellen. Haben die Clients für Variablen zudem unterschiedliche Abtastraten definiert, steigt die Belastung der Serverprozessoren weiter.

Das Publisher/Subscriber-Modell bietet sich als weiteres Beispiel für das „Secure Multicast“ an. Bei dieser Anwendung sendet der Server Daten an viele Clients, wobei der Datenaustausch zyklisch oder mit jeder Wertänderung erfolgt. Auch bei der Veröffentlichung Viele-an-Einen ist das Modell sinnvoll. Hier benötigen einer oder mehrere Clients in der Cloud Daten von vielen (Tausenden) hinter einer Firewall liegenden Geräten. Der Datenaustausch erfolgt ebenfalls zyklisch oder ausgelöst durch die Änderung eines Werts, Qualitätswerts oder Alarms. Diese Situation kann nicht abgearbeitet werden, da so viele offene Verbindungen nicht parallel bedient werden können.

Es gibt aber auch Anwendungsfälle, die einen deterministischen OPC UA-Publisher/Subscriber-Datenaustausch erfordern. Dazu gehört die „Zyklische und auch ereignisgestütze Kommunikation Steuerung an Steuerung“. So sind zum Beispiel Laserschneidanlagen im laufenden Betrieb auf die zyklische Kommunikation zwischen Steuerungen (SPS-, NC- oder Lasersteuerung) mit einer Zykluszeit von einer Millisekunde angewiesen. Da diese Kommunikation Steuerungsaufgaben dient, müssen Latenzzeiten und Abweichungen minimal sein. Ein Paketidentifikationssystem muss im laufenden Betrieb Daten mit Kameras und RFID-Systemen austauschen, aber auch mit SPS-Steuerungen, etwa für Sortieraufgaben. Der Datenaustausch erfolgt ereignisgestützt, sobald ein Paket angekommen ist – bis zu 18 Ereignisse pro Sekunde. Da diese Kommunikation Steuerungsaufgaben dient, ist eine Latenzzeit von 100 Millisekunden gefordert.

Publisher/Subscriber-Modell für OPC UA

Die hier auszugsweise beschriebenen Anwendungsfälle lassen sich nur schwer über Nachrichten von einem Sender an einen Empfänger realisieren, wie sie das Client/Server-Modell vorsieht. Aus diesem Grund wird aktuell in den OPC UA-Standard ebenfalls ein Publisher/Subscriber-Kommunikationsmodell aufgenommen, das sich besonders für den Versand von Multicast- und Broadcast-Nachrichten eignet.

Abhängig vom Anwendungsfall lässt sich das OPC UA-Publisher/Subscriber-Kommunikationsmodell unterschiedlich realisieren. Die ideale Option für die Implementierung von IIoT-Anwendungsfällen, die ein schnelles lokales Netz benötigen, verwendet eine verbindungslose sichere Kommunikation auf der Basis des Netzprotokolls User Datagram Protocol (UDP) Secure Multicast. Damit lassen sich Protokoll-Stacks für die Nachrichtenbehandlung schlanker und effizienter einrichten; zudem unterstützt das Netzprotokoll den zyklischen Datenaustausch. Charakteristisch für die Kommunikation ist die geringe Belastung in Verbindung mit dem schnellen und zuverlässigen Datenaustausch. Das spezifizierte OPC UA-Informationsmodell braucht hierbei nicht modifiziert zu werden.

Für das OPC UA-Publisher/Subscriber-Modell muss aber auch ein deterministischer Datenaustausch sichergestellt werden. Ein Lösungsansatz dafür ist, den Time-Sensitive-Networking-Standard (TSN) für Industrial-Ethernet-Netze zu verwenden. Dieser nutzt ein global synchronisiertes Zeitverhalten in Verbindung mit einem gemeinsamen Zeitplan für alle Netzkomponenten. Damit stehen reservierte Zeitfenster für die Übertragung priorisierter Nachrichten bereit, sodass daraus für den geplanten Datenverkehr im Switched-Netz eine garantierte Obergrenze für die maximale Latenzzeit resultiert.

Machbarkeit für das IIoT

Theoretisch ist das beschriebene OPC UA-Publisher/Subscriber-Modell ebenso wie der vorgestellte TSN-Standard in der Lage, den in IIoT-Applikationen geforderten deterministischen Datenaustausch zu ermöglichen. Vor dem Einsatz beider Technologien in echten Anwendungen muss jedoch die praktische Anwendbarkeit des Ansatzes überprüft werden. Aus diesem Grund hat Softing Industrial eine Demonstrationsanlage aufgebaut, die das Zeitverhalten der OPC UA-Publisher/Subscriber-Kommunikation in einem TSN-Netz untersucht. Für diese Demonstrationsanlage nutzt Softing seine über 20-jährige OPC-Erfahrung zusammen mit der eigens entwickelten Geräteplattform auf Basis der FPGA-Technologie. Diese Plattform lässt sich durch Laden der passenden Hard- und Software auf das FPGA auf individuelle Anforderungen zuschneiden.

Auf der Demonstrationsanlage führte Softing erstmals eine praxisorientierte Evaluierung zu den tatsächlichen Abweichungen von der festgelegten Zykluszeit durch. Dabei konnte der Spezialist für Datenkommunikation nachweisen, dass sich das deterministische Zeitverhalten im OPC UA-Publisher/Subscriber-Kommunikationsmodell im Vergleich zu einer OPC UA-Client/Server-Standardkommunikation verbessert, wenn das Time Sensitive Networking verwendet wird. Eine erhöhte Netzauslastung zieht keine Verschlechterung der Kommunikation nach sich. Zudem hat sich herausgestellt, dass ein eingeschränkter Nachrichtenverkehr nicht zu einer Bandbreitenverschwendung führt. Der gezeigte Ansatz erfüllt daher die besonderen Kommunikationsanforderungen von IIoT-Anwendungen.

Mehr Informationen über das deterministische OPC UA-Publisher/Subscriber-Modell und TSN Ethernet finden Sie bei Softing unter bit.ly/2lD1fIu.