Das "Echtzeit"-OPC-UA

OPC UA over TSN: Architektur und Anwendung

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Echtzeit-Anwendungen von OPC UA

Mit TSN wurde ein offizieller IEEE- Ethernet-Standard für Quality of Service mit nachweisbaren und nachrechenbaren Echtzeiteigenschaften geschaffen. Das ist zwar notwendig und sehr sinnvoll für die Integration von unterschiedlich zeitkritischen Anwendungen in einem einzigen Netzwerk, aber es löst nicht das Problem von Interoperabilität der Datennutzung auf der Applikationsebene.

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Dafür ist Ethernet als Layer-2-Technologie auch nicht vorgesehen. Um aber auch auf der Applikationsebene Interoperabilität in Bezug auf die Darstellung von Diensten und Daten zu erzielen, braucht es nicht nur ein «Protokoll», sondern zusätzlich auch vereinheitlichte Dienste- und Datenmodelle.

Dafür ist «Informationsmodell» der passende Begriff. Diese Notwendigkeit zur Interoperabilität auf Applikationsebene ist natürlich nicht erst seit der Industrie-4.0-Initiative relevant. Sie wurde in der Vergangenheit aus unterschiedlichen Gründen von verschiedenen (großen) Herstellern unterschiedlich gelöst, weil kein einheitlicher Standard dafür existierte, der die herstellerspezifischen Anforderungen und Kompromisse – beispielsweise betreffend Kosten versus Zuverlässigkeit, Einfachheit von Installation und Inbetriebnahme versus Flexibilität, oder Diagnose von Problemen versus Erweiterbarkeit – eines bestehenden Systems adressieren konnte.

Da die großen Systemintegratoren meist auch Komponentenhersteller waren oder zumindest aufgrund ihrer Marktbedeutung andere Unternehmen zur Unterstützung ihrer jeweils optimierten Lösung bewegten, konnten sich Ökosysteme in Form von «Feldbusvereinen» entwickeln. Darin agierten jeweils eine Vielzahl von Herstellern und Komponentenzulieferern, die innerhalb ihres abgeschlossenen, proprietären Ökosystems interoperabel sind; zwischen verschiedenen solchen Systemen sind jedoch aufwendige Übersetzungsmechanismen und Gateways notwendig.

Durch Spezialisierung von Technologien auf jeder Ebene entstand in der Steuer- und Kommunikationsinfrastruktur von industriellen Produktionsanlagen zunehmend eine üblicherweise als «Pyramidenstruktur» dargestellte Architektur (Bild 4). Die unterste Ebene repräsentiert dabei das intelligente Produkt, die Sensor-, Aktuator- und IO-Elemente direkt am physischen Produktionsvorgang, die nächsthöhere Ebene zumeist die Steuer- und Kontrolllogik (SPS, Maschinen- und Prozessteuerungen usw.), darüber befinden sich die Ebene der Produktionsleitsysteme (Manufacturing Execution Systems, MES) zur Produktionssteuerung und Diagnose und die Ebene für Verwaltungssysteme wie Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP).

Die höheren Schichten sind die Domäne der IT-Abteilungen, in der IT-übliche Technologien, Mechanismen und Standards genutzt werden, während in den untersten Schichten meist branchen- oder herstellerspezifische Technologien zum Einsatz kommen. Daher gibt es in dieser Automatisierungspyramide ein oder mehrere «Gateways», die notwendig sind, um Daten- und eventuell auch Kontrollfluss zwischen den Schichten zu gewährleisten.

Für die IoT-Anbindung sind offene Standards essenziell

Solange einzelne Maschinen für die Automatisierung eingesetzt und dauerhaft vernetzt wurden, war dieser Zustand akzeptabel. Durch die steigenden Anforderungen an flexible Produktionsabläufe, geringere Downtimes im Fall von Linienumstellungen und nicht zuletzt die Notwendigkeit, systemübergreifend Daten für die IoT-Anbindung verfügbar zu machen, sieht nun eine zunehmende Zahl von Unternehmen offene Standards als essenziell an. Allerdings müssen diese Standards einerseits die funktionalen Eigenschaften der Steuerungswelt weiterhin unterstützen, andererseits auch die Anforderungen an Offenheit, Flexibilität und Sicherheit der an die Produktionswelt heranrückenden Domäne von Data Centers und Cloud-Infrastruktur erfüllen.

Effizienter Informationsaustausch über Regionen unterschiedlicher Amts- bzw. Umgangssprachen hinweg kann bei Menschen durch eine gemeinsame (Fremd-)Sprache erreicht werden. Müsste man ständig Dolmetscher dazwischenschalten, ginge Zeit und auch Inhaltsqualität verloren. Das gilt auch für Maschinen: Um Services und Daten z.B. zwischen Robotern, Verpackungs- oder Abfüllanlagen auszutauschen, sind eine allgemein verständliche Repräsentation von generischen Methoden für Discovery («Ich bin da, betriebsbereit und ich kann die beschriebenen Daten und Services anbieten»), Security («Um mit mir zu sprechen, musst du dich zuerst authentifizieren») und andere Klassen von Funktionalität erforderlich.

Geräte- oder anwendungsspezifische Funktionen und Parameter («Ich kann maximal zwei Flaschen pro Sekunde befüllen und habe derzeit noch acht leere Flaschen in der Warteschlange») müssen über eine generische und hinreichend flexible Repräsentationsschicht darstellbar sein.

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Die OPC Foundation standardisiert seit 1996 solche Mechanismen. Grundlage war die von Microsoft in den 1980ern entwickelte COM/DCOM-Technologie [10], die 2006 in eine vereinheitlichte Architektur (Unified Architecture, UA) überführt wurde. Seither steht mit OPC UA eine hersteller- und technologieunabhängige, standardisierte Plattform zur Verfügung, die in vielen Bereichen laufend an Unterstützung gewinnt. Ganz besonders auch in der digitalisierten Industrieautomatisierung, kurz Industrie 4.0. OPC UA wird mittlerweile von verschiedenen Anbietern auf unterschiedlichen Plattformen von der Cloud bis hin zu SPSen und Embedded-Systemen verfügbar gemacht.

OPC UA basiert primär auf einem Client/Server-Modell, wurde aber kürzlich um ein Publish/Subscribe-Modell erweitert. Letzteres bietet die Möglichkeit, periodischen Datenaustausch zwischen OPC-UA-Knoten mit einer wohldefinierten Zykluszeit durchzuführen. Damit sind Echtzeit-Anwendungen mit Steuerungscharakter auf den unteren Schichten der «Pyramide», beispielsweise eine enge Kopplung von Verarbeitungszyklen auf der Machine-to-Machine-Ebene, auf Basis eines standardisierten und herstellerunabhängigen Informationsmodells möglich.

Die Publisher/Subscriber-Architektur von OPC UA

OPC UA verwendet einen herkömmlichen Client/Server-Mechanismus zur Datenakquisition und Service-Beauftragung, bei dem der User (oder allgemein: Client) in einem Ad-hoc-Verfahren Daten von Servern abrufen bzw. Dienste auf dem Server auslösen kann. OPC UA Publish / Subscribe wurde kürzlich durch die OPC Foundation zusätzlich zu dem bestehenden Client/Server-Mechanismus definiert [11] und steht bereits prototypisch zur Verfügung (Bild 5).

Diese Erweiterung sorgt dafür, dass einzelne Sende-Nodes zunächst Daten für mehrere Clients, die sich als Abonnenten identifiziert haben, veröffentlichen können. Im Sinne von Industrie 4.0 wird diese Erweiterung des Multicast-Datenaustausches die Kommunikation zwischen vielen Sensoren und der Cloud sowie die Koordination zwischen Maschinen ermöglichen. Es gibt eine große Untergruppe von Anwendungsszenarien, in denen Daten in einem garantierten Zeitraum – eben in deterministischer Echtzeit – übermittelt werden müssen. Dies gilt insbesondere für den Datenaustausch zwischen SPSen, Maschinensteuergeräten und Antrieben.

Um von Sende-Nodes (Publishers) Nachrichten deterministisch zu übertragen, sollten zwei Kriterien erfüllt werden:

  • Der Publish/Subscribe-(PubSub)-Stack soll in einer Echtzeit-SW-Umgebung ausgeführt werden, um zu gewährleisten, dass Daten periodisch gesendet werden können. Um für spezielle Anwendungsfälle die optimale End-to-End-Latenz zu ermöglichen, spezifiziert OPC UA Publish/Subscribe die Konfigurationsmöglichkeit, Nachrichten mit einem bestimmten Offset (Phase) innerhalb einer Periode zu übertragen und damit ein sehr präzises Zeitverhalten für die Kommunikation zwischen Publisher und Subscriber zu definieren.
  • Die PubSub-Nachrichten sollen über ein deterministisches Netzwerk übertragen werden. Herkömmliche industrielle Ethernet-Protokolle sind für die deterministische Kommunikation von Echtzeitdaten konzipiert. Es mangelt ihnen allerdings im Vergleich zu Standard-Ethernet an Eigenschaften wie Offenheit, Flexibilität und Skalierbarkeit. Diese Eigenschaften sind jedoch Anforderungen von Industrie 4.0. TSN erfüllt die Forderung nach garantierter deterministischer Kommunikation und bietet als Teil des IEEE-Ethernet-Standards auch die gleiche Flexibilität, wie OPC-UA-Nutzer sie bereits gewohnt sind.

Die Kombination von OPC UA Publish / Subscribe und TSN stellt daher eine passende Echtzeit-Kommunikationsplattform für die Anforderungen der Industrie 4.0 dar. Die Daten- und Konfigurationsschnittstelle zwischen OPC UA Pub / Sub und TSN wird ebenfalls durch eine Arbeitsgruppe der OPC Foundation definiert. Sie gewährleistet, dass OPC-UA-Daten, die eine garantierte Übermittlung erfordern, einen deterministischen Pfad durch das Netzwerk erhalten. Dies kann unter anderem erreicht werden, indem passende TSN-Konfigurationen für die Übertragung von OPC-UA-Daten verwendet werden.

Netzwerkkonfiguration erfolgt statisch oder dynamisch

Die Netzwerkkonfiguration kann entweder statisch (zum Zeitpunkt des Systemdesigns), oder dynamisch am laufenden Netzwerk konfiguriert werden. TSN standardisiert unterschiedliche Mechanismen für die dynamische TSN-Konfiguration – zentralisiert, verteilt und die Kombination aus verteiltem und zentralisiertem Ansatz. Daher spezifiziert OPC UA eine definierte Schnittstelle zu einer Service-Einheit, den sogenannten PubSub TSN Configuration Broker (PTCB). Diese Schnittstelle stellt den TSN-spezifischen Konfigurationsmechanismus von OPC-UA-Geräten transparent dar. Es sollten daher alle OPC UA Nodes diese Schnittstelle unterstützen.

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Über den PTCB werden OPC-UA-Publishers und Subscribers Anforderungen gesendet, um zur Laufzeit dynamisch die deterministischen Pfade für TSN zu konfigurieren. Das PTCB übermittelt diese Konfigurationsanforderungen an den spezifischen TSN-Konfigurationsmechanismus. Im Fall der Verwendung des zentralen TSN-Konfigurationsansatzes wird die PTCB mit dem Central Network Controller (CNC) die Daten austauschen.

Der CNC liefert danach die Konfigurationen der Nodes an den PTCB und sorgt außerdem dafür, dass die TSN Switches automatisch konfiguriert werden. Das PTCB liefert diese Konfigurationsdaten, wie z.B. die TSN Stream ID, dann an die OPC UA Nodes zurück. Sobald das Netzwerk konfiguriert ist und ein deterministischer Pfad bereitgestellt wurde, beginnt der Publisher mit der Veröffentlichung der Daten für die Echtzeitkommunikation.

Die PubSub-Spezifikation definiert ein Nachrichtenformat für verschiedene Nachrichtentypen, wie periodische Zustands- oder sporadische Ereignisnachrichten. Außerdem wird die Möglichkeit geboten, statisch konfigurierte Daten zu senden, um für einfache Implementierung für den Publisher und Subscriber zu sorgen.

Deterministische Echtzeit durch Time Sensitive Networking (TSN)

Wenn die Echtzeit-Kommunikationsverbindungen mittels OPC UA Publish / Subscribe definiert werden (Bild 6) und mittels eines Brokers an die Konfiguration des TSN-Netzwerks weitergemeldet wurden, dann obliegt es dem TSN-Netzwerk, die solcherart «angeforderten» Echtzeit-Datenströme auch tatsächlich so zu transportieren.

Neben verschiedenen sehr kostengünstigen Feldbussen hat sich Ethernet schon vor über einem Jahrzehnt auch in der Industrieautomatisierung als leistungsfähige Netzwerk-Technologie mit gutem Preis-Performance-Verhältnis etabliert. Weil aber unterschiedliche Methoden für garantiertes Echtzeitverhalten entwickelt und auf Ethernet realisiert wurden, war meistens schon auf ISO-Schicht 2 dieser Netzwerke keine Kompatibilität mehr möglich. «Ethernet» wurde hier also nicht in der üblichen Bedeutung verwendet, sondern nur der physische Layer mit 10, 100 oder auch 1000 Megabit pro Sekunde.

In anderen Industrien, und zwar zuerst in der professionellen Audio-Video-Übertragung und -Verarbeitung, wurde daher an echtzeitfähigen Erweiterungen von Switched Ethernet gearbeitet. Diese Erweiterungen sind auch als Teil der IEEE-802-Ethernet-Standards unter dem Namen Audio Video Bridging (AVB) bekannt und bieten für echtzeitsensitive Audio- und Videoapplikationen Stream-basierte Quality-of-Service-Mechanismen für Ethernet-Netzwerke an, um Synchronisation z.B. von Lautsprechern und Latenz-Obergrenzen wie von Audiodaten zu erreichen.

Mehrere der Mechanismen von TSN sind Erweiterungen oder Verallgemeinerungen von bereits in anderen (industriespezifischen) Ethernet-Standards verfügbaren und geforderten Funktionen unter anderem redundante Übertragung von Ethernet-Paketen über unterschiedliche Netzwerk-Pfade nach 802.1CB [13]. Andere Mechanismen wie u.a. Frame Preemption nach 802.1Qbu [14] und 802.3br [15] sind völlig neu und ermöglichen noch mehr Echtzeitfähigkeit von Ethernet durch Reduktion der Latenz in Netzwerken mit «großen» Datenpaketen, wie es gerade bei konvergenten Netzen vorkommen kann, wenn «normale» Ethernet-basierte Kommunikation mit Echtzeitkommunikation ein Kabel teilt.

IEEE 802.1Qbv beschreibt zeitsynchrone Kommunikation im Ethernet

Besonders relevant ist aber der TSN-Standard IEEE 802.1Qbv [16], mit dem Quality of Service für zeitsynchrone Kommunikation in Ethernet beschrieben werden kann und damit einen Mechanismus darstellt, der hochpräzise Echtzeitdatenströme zusammen mit ganz gewöhnlichem Best-Effort-Ethernet-Verkehr in einem einzigen Netzwerk erlaubt. Eine Übersicht über die gängigsten TSN-Substandards enthält Tabelle 1.

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Zentrales Prinzip von TSN ist ein Konzept namens Time Aware Shaper (TAS). Switches, die nach diesem Prinzip arbeiten, teilen den Datenverkehr gemäß ihrer Priorität in verschiedene Warteschlangen (Queues) ein, die anhand eines globalen Zeitplans abgearbeitet werden. Zeitkritische Datenframes erhalten einen entsprechenden Eintrag, anhand dessen die Einteilung in eine bestimmte Warteschlange geschieht. Jede Warteschlange hat ein sogenanntes Transmission Gate, das entweder offen oder geschlossen sein kann. Bei der Auswahl des nächsten zu versendenden Datenpakets im Switch werden nur Warteschlangen mit offenen Transmission Gates berücksichtigt.

Diese Konzepte sind im Substandard 802.1Qbv [16] festgelegt. Datenframes mit geringer Priorität können auch während der Übertragung unterbrochen werden (Frame-Preemption), um zeitkritischem Datenverkehr den Vorzug zu geben. Für die Garantie der Echtzeitfähigkeit ist das notwendig, führt in der Regel aber nicht zur optimalen Ausnutzung der Bandbreite oder zu einer minimalen Latenzzeit. Im Substandard 802.1Qbu [14] sind Protokolle definiert, um für solche Fälle die Latenzzeit für den zeitunkritischen Datenverkehr möglichst gering zu halten.

Das TAS-Konzept ist auf einen robusten Mechanismus zur Generierung einer systemweiten, einheitlichen Zeit mit einer Genauigkeit im Sub-Mikrosekundenbereich angewiesen. Das dafür vorgesehene Prinzip ist im Substandard 802.1ASrev [17] festgeschrieben. Es handelt sich dabei um eine Weiterentwicklung des bereits weitverbreiteten Precision Time Protocol (PTP) nach IEEE 1588 [18].

Mit TSN kann eine Vereinheitlichung von Ethernet-Netzwerken von der untersten «Pyramidenschicht» bis hinauf zur Cloud-Anbindung realisiert werden, ohne Gateways und andere Übersetzungselemente zu benötigen (vergleiche dazu Bild 3). Da es sich bei TSN um eine vollkompatible und in IEEE standardisierte Erweiterung von Ethernet handelt, sind bestehende Standard-Ethernet-Geräte grundsätzlich in einem TSN-Netzwerk anschlussfähig – mit gewissen Einschränkungen bezüglich Echtzeit-Performance.

Performance- und Echtzeitanforderungen der Applikationen für OPC UA in einem gesamtheitlichen System realisieren

Um nun eine einheitliche Plattform für IoT-Datenzugriffe vom Sensor bis zur Cloud zu schaffen, müssen Netzwerk und Informationsmodell die Anforderungen so abdecken, dass in einer Plattform letztendlich nur ein System beschrieben, konfiguriert und betrieben wird. Es ist also naheliegend, die Performance- und Echtzeitanforderungen der Applikationen für OPC UA und die daraus folgenden Latenzanforderungen für das Netzwerk in einem gesamtheitlichen System zu realisieren.

Mit anderen Worten: OPC UA und TSN sind zwei separate, aber sinnvollerweise eng integrierbare Schichten für Datenzugriff und Datenkommunikation, mit denen die Kombination aus bislang schwer in Einklang miteinander zu bringenden Anforderungen möglich wird: garantierte Echtzeit in Anwesenheit beispielsweise flexibler Bedienerzugriffe und IoT-Anbindung inklusive voller Interoperabilität bei Herstellerunabhängigkeit dank offener Standards (Bild 7).

Von erheblicher Bedeutung ist dabei auch die breite Unterstützung in der Automatisierungsindustrie. Nach der von KUKA im Frühjahr 2015 gegründeten Initiative OPC UA, um die Echtzeitfähigkeit durch TSN zu erweitern [19], kündigten Ende 2016 im Rahmen einer viel beachteten Pressekonferenz auf der SPS/IPC/Drives-Messe die Unternehmen ABB, Bosch Rexroth, B&R, CISCO, General Electric, KUKA, National Instruments, Parker Hannifin, Schneider Electric, SEW-EURODRIVE und TTTech ihre Unterstützung für diese Kombination der OPC-UA- und TSN-Standards als künftig bevorzugte Lösung an [20].

Die Verbreitung von OPC UA in der Industrieautomatisierung legt nahe, nicht nur die IoT-Cloud-Anbindung von kompletten Systemen bzw. Maschinen über entsprechende Informationsmodelle abzubilden, sondern auch Zugriff auf einzelne Datenelemente auf der untersten Ebene, also Sensoren und Aktuatoren, über diese Plattform zu ermöglichen. Zugriff auf einzelne aktuelle Datenelemente innerhalb eines laufenden Steuerungsprozesssystems bietet neue Möglichkeiten bei vorausschauender Diagnose und Maintenance sowie bei der Optimierung von Produktionsprozessen.

Die «Big Data»-Analyse kann durch diese Zugriffsmethoden dynamisch um genau jene Datenelemente erweitert werden, die für bestimmte Analysen und Optimierungsaufgaben aus dem laufenden Prozess heraus benötigt werden. Das ist besonders in komplexen Systemen mit vielen Datenquellen hilfreich, da dort eine kontinuierliche, vollständige Übertragung aller potenziell relevanten Sensordaten in die Cloud nicht zu bewältigen wäre. Daher muss an der Maschinenobergrenze oder der Edge die Möglichkeit für möglichst herstellerunabhängige Logging/Historian-, Filter- und Alarmierungsfunktionen im Fall von ungewöhnlichen Abweichungen von Normwerten gegeben sein. All das ist mit dieser Plattform realisierbar.

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Aber auch die für Industrie 4.0 benötigte Flexibilität in der Vernetzung zwischen Maschinen ist damit umsetzbar: So kann beispielsweise eine Maschine in einer Produktionslinie in Echtzeit auf Informationen über das Werkstück in dem direkt davorliegenden Linienelement zugreifen und sich so in Hinblick auf den nächsten auszuführenden Arbeitsschritt vorausschauend kalibrieren. («Wenn ich weiß, wie das Stück beschaffen ist, das du gerade bearbeitest, kann ich meinen Greifer

bereits entsprechend positionieren»).

Obwohl bestehende Lösungen für industrielle Netzwerkkommunikation die Anforderungen in herkömmlichen Systemen bestens abdecken, gibt es für die breite Durchsetzung von OPC UA und TSN stichhaltige Gründe: Offenheit und Standardisierung, die für das IoT und Industrie 4.0 notwendig sind, Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit von Gigabit-Ethernet, und garantierte Echtzeitfähigkeit für alle Anwendungen und Datenverbindungen vom Sensor bis in die Cloud.

Werden durch OPC UA TSN herkömmliche Feldbusse überflüssig?

Es ist nicht die Absicht der OPC-UA-TSN-Initiative, herkömmliche Feldbusse, deren Feldbusvereine oder die jeweilig treibenden Firmen überflüssig zu machen. Vielmehr ist es das Ziel, zunächst zusätzlich zu den bestehenden Lösungen einen zukunftssicheren, gemeinsamen Hauptnenner zu schaffen, auf den sich alle Parteien, auch die großen Marktführer, sowohl technisch als auch politisch zugunsten einer wirklichen, gesamtherstellerübergreifenden Interoperabilität einigen können. Sowohl OPC UA als auch TSN sind offene, frei verfügbare Standards, die nicht nur von einer einzigen dominanten Firma getrieben werden, wie dies bisher bei fast allen Feldbussen der Fall war.

Avnu Alliance veröffentlicht neues Whitepaper zu Wireless TSN

Die Avnu Alliance hat ein neues Whitepaper veröffentlicht, das sich mit Time Sensitive Networking (TSN) befasst, sowie die Einrichtung einer Avnu-Arbeitsgruppe, die die weitere Arbeit zur Ausweitung der TSN-Fähigkeiten auf drahtlose Netze unterstützen soll.

Die jüngsten Fortschritte bei den drahtlosen 5G- und IEEE 802.11-Konnektivitätstechnologien zur Bereitstellung von Kommunikation mit niedriger Latenz und hoher Zuverlässigkeit haben in der Branche ein erhebliches Interesse an der Ausweitung der TSN-Fähigkeiten auf drahtlose Netzwerke geweckt. Da TSN-fähige Geräte und Netzwerke weiterhin in einem breiten Spektrum von vertikalen Märkten eingesetzt werden - z.B. in der Industrie, der Robotik und der professionellen AV-Technik - ist die Möglichkeit der Erweiterung ähnlicher Fähigkeiten über Wireless ein natürlicher nächster Schritt.

Das neue Whitepaper "Wireless TSN – Definitions, Use Cases & Standards Roadmap" analysiert die bestehenden Standards und der Lücken in der Standardisierung, die vor einer Implementierung von Wireless TSN "in der Fläche" geschlossen werden müssen. Ferner enthält das Whitepaper eine Darstellung potenzieller Anwendungsfälle von Wireless TSN in verschiedenen Umgebungen und Märkten, dazu einen Überblick über die Arbeiten, die innerhalb der Avnu und der Industrie erforderlich sind, um in Zukunft TSN-Fähigkeiten in drahtlosen und kabelgebundenen Netzwerken zu ermöglichen.

Zu den ersten Mitgliedern der Arbeitsgruppe und Autoren des Whitepapers gehören Vertreter von Intel, Keysight Technologies, General Electric und dem professionellen AV-Hersteller L-Acoustics.

Download des Whitepaper

Hierfür kann zunächst einmal mit der nicht echtzeitfähigen Nutzung von OPC UA Client / Server auf den Schnittmengen der Layer «Communication» und «Information» mit den Hierarchie-Levels «Control Device» bis «Work Centers» nach dem RAMI-4.0-Modell begonnen und sukzessive um die echtzeitfähige Verwendung von OPC UA bis hinunter zur Feldebene erweitert werden. Herkömmliche Feldbusse können auf dem Integration Layer dazu dienen, herkömmliche Brownfield-Anlagen an Industrie 4.0 anzuschalten.

Bei einigen der bestehenden Feldbustechnologien gibt es große Überlappungen mit den technischen Eigenschaften von OPC UA TSN, bei anderen weniger. Rein technisch gesehen, hat OPC UA TSN somit durchaus das Potenzial, einige der bestehenden Feldbustechnologien zu disrupten.

Quellen

[01] DIN SPEC 91 345:2016-04 Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0). Berlin: Beuth Verlag GmbH, April 2016.

[02] Normenreihe: IEC 62 541 OPC unified architecture. Genf: International Electrotechnical Commission (IEC), 2015-2016.

[03] Normenreihe: IEEE 802.1 Time Sensitive Networking – Security, Data Center Bridging, OmniRAN and Maintenance. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2009-2016.

[04] Normenreihe: IEC 61 158 Industrial communication networks – Fieldbus specifications. Genf: International Electrotechnical Commission (IEC), 2007-2014.

[05] Predix – The Industrial Internet Platform. Boston: General Electric, November 2016. (abgerufen am 09.05.2017).

[06] DIN 8743:2014-01 Verpackungsmaschinen und Verpackungsanlagen – Kennzahlen zur Charakterisierung des Betriebsverhaltens und Bedingungen für deren Ermittlung im Rahmen eines Abnahmelaufs. Berlin: Beuth Verlag GmbH, Januar 2014.

[07] Industrie 4.0: Kommunikation mit OPC UA. Leitfaden zur Einführung in den Mittelstand. Frankfurt am Main: VDMA e.V., Lemgo: Fraunhofer IOSB-INA. 2017.

[08] ISO / IEC 2382:2015-05 Information technology – Vocabulary. Genf: International Organization for Standardization (ISO), Mai 2015.

[09] DIN 44 300-9:1988-11 Informationsverarbeitung – Begriffe – Verarbeitungsabläufe. Berlin: Beuth Verlag GmbH, November 1988.

[10] MS-DCOM: Distributed Component Object Model (DCOM) Remote Protocol. Redmond: Microsoft Corporation, Juli 2016. (abgerufen am 09.05.2017).

[11] OPC Unified Architecture Specification Part 14: PubSub. Release Candidate 1.04.24. Verl: OPC Foundation Europe, Februar 2017.

[12] OPC Unified Architecture. Interoperabilität für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge. Verl: OPC Foundation Europe, Februar 2015.

[13] IEEE P802.1CB – IEEE Draft Standard for Local and metropolitan area networks — Frame Replication and Elimination for Reliability. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), März 2017.

[14] IEEE 802.1Qbu – IEEE Standard for Local and metropolitan area networks – Bridges and Bridged Networks – Amendment 26: Frame Preemption. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2016.

[15] IEEE 802.3br – IEEE Standard for Ethernet Amendment 5: Specification and Management Parameters for Interspersing Express Traffic. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2016.

[16] IEEE 802.1Qbv – IEEE Standard for Local and metropolitan area networks – Bridges and Bridged Networks – Amendment 25: Enhancements for Scheduled Traffic. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2015.

[17] IEEE P802.1AS-Rev – IEEE Draft Standard for Local and metropolitan area networks – Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), März 2017. 360 Quellenverzeichnis

[18] IEEE 1588-2008 – IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2008.

[19] Herkommer, Günther: Industrie 4.0: OPC UA – Arbeitsgruppe für Echtzeit gegründet. Haar: WEKA Fachmedien GmbH, April 2015. http://www.computer-automation.de/feldebene/vernetzung/ artikel/118732 (abgerufen am 09.05.2017).

[20] Schäfer, Reinhold: Industrial Internet of Things. Führende Hersteller unterstützen den Standard OPC UA TSN. Würzburg: Vogel Business Media GmbH, November 2016. (abgerufen am 09.05.2017).

Die Autoren

Dipl.-Ing. (FH) Heinrich Munz, Lead Architect Industrie 4.0 – KUKA Aktiengesellschaft, und M.Sc. Georg Stöger, Director Projects and Products – TTTech Computertechnik AG.

Dieser Beitrag stammt aus den dem Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen“ von Thomas Schulz (Hrsg.). Das Buch bietet dem Professional einen praxisorientierten und umfassenden Einblick in die Digitalisierung der Fertigung und der Produktion. Das Buch „Industrie 4.0“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

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