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Wird das „OPC UA over TSN“ zum Industrie-Standard?

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Was sind die Besonderheiten in OPC-UA-/TSN-Systemen?

TSN und OPC UA arbeiten auf verschiedenen, wenn auch sich ergänzenden, Ebenen des Kommunikationsstacks. Während TSN für die Zeitsynchronisation und deterministische Zustellung von Datenpaketen zuständig ist und dafür Netzwerkdienste zur Verfügung stellt, arbeitet OPC UA auf der Applikationsebene. Es sorgt dafür, dass die Nutzdaten des Pakets ein gängiges Format aufweisen, das sowohl der Sender als auch der Empfänger verstehen. Vergleicht man es mit einem Telefongespräch, so wäre es die Aufgabe von TSN, eine Verbindung herzustellen, deren Qualität ausreichend ist, damit die beiden Parteien in Echtzeit hören können, was gesagt wird. OPC UA hingegen wäre dafür zuständig, dass sich die Parteien für die Kommunikation derselben Sprache bedienen.

Auch das Thema Feldbusse taucht bei Diskussionen um TSN auf, denn grundsätzlich hätte dieser neue Standard das Potenzial, klassische Feldbusse nach und nach zu verdrängen. Viele Leute hinterfragen, welche Aufgaben und Funktionen denn nun künftig den Industrial-Ethernet-Systemen zufallen und für welche wiederum die Feldbusse zuständig wären. Das hat jedoch weniger mit der Technik selbst zu tun, sondern hängt eher von der Akzeptanz auf dem Markt ab.

Prinzipiell ist TSN in der Lage, anspruchsvolle, hochperformante Anwendungen und gängige, kostengünstige Applikationen abzudecken. TSN ist die Konvergenz von zeitkritischen, nicht zeitkritischen und Anwendungen für Datenstreaming über ein Netzwerk. Es ist davon auszugehen, dass TSN als erstes in der Controller-Controller-Kommunikation genutzt wird. Die teilnehmenden Unternehmen beabsichtigen, OPC UA TSN in künftigen Produktgenerationen zu unterstützen. Erste Prototypen sind bereits in ein Testbed des IIC integriert. Das zeigt, dass OPC UA TSN die Kommunikation zwischen Steuerungen unterschiedlicher Hersteller über eine gängige IT-Infrastruktur gestattet. Am texanischen Stammsitz von NI in Austin lässt sich das Testbed begutachten. Hier wurde das NI Industrial IoT Lab eröffnet (siehe auch den Kasten).

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Was verbirgt sich hinter der Early Access Technology Platform und gibt es bereits Anwendungen?

Eine weitere TSN-relevante Kooperation mit der Beteiligung von NI ist die Early Access Technology Platform für Time-Sensitive Networking, um neue Synchronisations- und Kommunikationstechniken voranzutreiben. National Instruments, Cisco und Intel haben dazu gemeinsam eine Plattform entwickelt, auf der Anwender, Steuer-, Regel- und Messanwendungen über Standard-Ethernet-Verbindungen deterministisch und zeitsynchronisiert auf verteilten Systemen ausführen können. Die Plattform wird bereits im Rahmen von Projekten wie dem TSN-Testbed eingesetzt. Das Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen entwickelt darauf CNC-Maschinen der nächsten Generation, und auch die EUV Tech nutzt es für die Erstellung neuartiger Halbleiterfertigungsmaschinen. Das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) forscht auf der Plattform am Stromnetz der Zukunft.

Die Early Access Technology Platform umfasst neue CompactRIO-Controller mit Atom Prozessoren von Intel und einem TSN-fähigen I210-Netzwerkanschluss ebenfalls von Intel und stellt so eine schnelle und gleichzeitig energiesparende Lösung zu einem günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis bereit. Die Controller werden mit der Systemdesignsoftware LabVIEW programmiert, um die Zeitsynchronisation im Netzwerk aufrechtzuerhalten und sowohl die Verarbeitung auf dem Echtzeitprozessor als auch auf dem FPGA anhand der Zeitvorgaben zu synchronisieren. Nachdem Zeit ein integraler Bestandteil von LabVIEW ist, lassen sich Signalverarbeitung, Steuer- und Regelalgorithmen und I/O-Timing nahtlos mit geplanten Netzwerkübertragungen sowie zwischen mehreren in einem Netzwerk verteilten Systemen koordinieren.

Gibt es bereits Hardware von NI, welche Time-Sensitive-Networking unterstützt?

Auf der NIWeek 2017 hat NI zwei Ethernet-Chassis mit vier bzw. acht Steckplätzen vorgestellt, die eine deterministische Synchronisierung über aktuelle Ethernet-Standards unterstützen. NI verbindet Time-Sensitive Networking mit robuster CompactDAQ-Hardware für verteilte Messungen im Netzwerk. Die Chassis cDAQ-9185 und cDAQ-9189 unterstützen genaue Zeitsynchronisierungen über TSN, wodurch sich verteilte Systeme einfacher skalieren lassen. Geboten wird beispielsweise präzises Netzwerk-Timing ohne zusätzliche Synchronisationsleitungen für nahtlos synchronisierte Messungen sowie Daisy-Chaining über einen integrierten Netzwerk-Switch. Über diesen lassen sich verteilte Anwendungen schnell einrichten und erweitern.

Die neuen Chassis synchronisieren Messungen automatisch über einen Netzwerktakt. Dadurch wird eine genaue Synchronisierung über größere Entfernungen möglich, was wiederum die Einrichtung und Verwaltung von solchen verteilten Systemen und Systemen mit hoher Kanalanzahl vereinfacht. Da NI in verschiedenen Standardisierungsgremien wie der AVnu Alliance, IEEE 802.1, IEEE 1588, der Internet Engineering Task Force und der OPC Foundation vertreten ist, lassen sich langjährige Erfahrungen aus der Praxis in die Entwicklung eines gemeinsamen Standards für deterministische Netzwerkübertragungen mit Zeitsynchronisation über konvergente Standard-Ethernet-Verbindungen einbringen.

Ergänzendes zum Thema
Was steckt hinter dem Industrial IoT Lab von NI?

Beim NI IIoT Lab dreht sich alles um intelligente Systeme, die Betriebs- mit Informationstechnologie verbinden, sowie die Unternehmen, die an diesen Systemen arbeiten. Das NI Industrial IoT Lab soll zudem die Zusammenarbeit zwischen Unternehmen fördern, um die Interoperabilität der verschiedenen Technologien zu gewährleisten. Hier arbeiten Entwickler von Kommunikationsprotokollen, Controller-Hardware, I/O-Komponenten, Prozessoren und Softwareplattformen gemeinsam an der Validierung umfassender Lösungen, die zukünftige Betriebsabläufe grundlegend verändern sollen. Zu den Sponsoren des Lab gehören neben NI auch Analog Devices, die Avnu Alliance, Cisco Systems, Hewlett Packard Enterprise, das Industrial Internet Consortium, Intel, Kalypso, die OPC Foundation, OSIsoft, PTC, Real-Time Innovations, SparkCognition, Semikron, Viewpoint Systems und Xilinx.

Das Industrial IoT Lab zeigt als Plattform technische Entwicklungen, Lösungen und Systemarchitekturen für das industrielle Internet der Dinge. Mit Demosystemen, wie den Testbeds des Industrial Internet Consortium (IIC), können die beteiligten Unternehmen ihre Lösungen vorstellen und mit den jeweiligen Bereichsexperten zusammenarbeiten.

Kurz erklärt: OPC = Open Platform Communications ist eine Standardschnittstelle für die Kommunikation zwischen verschiedenen Datenquellen, darunter Geräte in Produktionsstätten, Laborausstattung, fest eingebaute Prüfsysteme und Datenbanken. Die OPC Foundation hat einige Standardschnittstellen festgelegt, die es beliebigen Clients erlauben, auf OPC-konforme Geräte zuzugreifen. Allerdings fehlt OPC UA die notwendige Echtzeitfähigkeit. Hier soll die Ethernet-Variante TSN = Time-Sensitive Networking helfen.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal ELEKTRONIKPRAXIS erschienen.

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