Die Vorteile der Verwendung von OPC UA PubSub gemeinsam mit der TSN-Technologie sind vielfältig: So bietet TSN deterministische und zeitsynchronisierte Kommunikation über Ethernet-Netzwerke. Durch die Kombination von OPC UA PubSub mit TSN kann der Nutzer einen zuverlässigen und vorhersehbaren Datenaustausch zwischen Geräten erreichen. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die industrielle Automatisierung, wo Timing und Synchronisierung für koordinierte Aktionen und Regelkreise von entscheidender Bedeutung sind.

Weiterhin ermöglichen die Funktionen von TSN mit geringer Latenz in Verbindung mit der Fähigkeit von OPC UA PubSub, Daten asynchron zu veröffentlichen und Echtzeitleistung für zeitkritische Anwendungen. Dies ist besonders wichtig in Szenarien, in denen ein schneller Datenaustausch für Aufgaben wie Steuerung und Überwachung erforderlich ist.

OPC UA bietet zudem eine standardisierte Datenmodellierung und Informationsdarstellung. Durch die Verwendung von OPC UA PubSub mit TSN kann der Nutzer diese standardisierten Daten effizient im Netzwerk verteilen und so einen konsistenten und kohärenten Informationsaustausch zwischen Geräten gewährleisten. OPC UA ist auch für seinen Fokus auf Interoperabilität bekannt: In Kombination mit TSN ermöglicht es eine nahtlose Kommunikation über verschiedene Geräte, Anbieter und Systeme hinweg, selbst in komplexen Umgebungen mit mehreren Anbietern.

Zudem unterstützt TSN Redundanzmechanismen zur Verbesserung der Netzwerkzuverlässigkeit. Die entkoppelte Architektur von OPC UA PubSub stellt einen reibungslosen Umgang mit Netzwerkunterbrechungen sicher und gewährleistet die Datenintegrität und -zuverlässigkeit auch bei Ausfällen. Last but not least tragen die Traffic-Shaping- und Planungsmechanismen von TSN dazu bei, Netzwerküberlastungen und Konflikte zu reduzieren. OPC UA PubSub optimiert mit seiner Fähigkeit, nur relevante Daten für Abonnenten zu veröffentlichen, die Netzwerknutzung weiter und minimiert unnötige Datenübertragungen.

Hardwareunabhängiger Stack

Die Architektur des eTSN Stacks mit proprietären Komponenten (hellblau).

© BE.services

Die Firma BE.services hat sich gemeinsam mit der Hochschule Offenburg zur Aufgabe gemacht, einen Low-footprint OPC UA PubSub TSN Stack zu entwickeln, der auf verschiedene Plattformen und Komponenten im TSN-Netzwerk portierbar ist. Neben dem Ressourcenbedarf sollte dabei auch die Portierbarkeit des Stacks optimiert werden.

Der entstandene eTSN (enable TSN)-Stack kann beispielsweise auf Intel- oder TI-Plattformen in einer C2C-Kommunikation sowie auf Plattformen mit TSN-kompatibler Ethernet-Schnittstelle, zum Beispiel Intel (drahtlos) oder Renesas, als Bridges oder als Device-Implementierung verwendet werden. Das entsprechende Software Development Kit lässt sich sowohl mit einem Betriebssystem als auch auf eine Bare-Metal-Plattform umsetzen.

Die Lösung basiert auf folgenden Komponenten:

• einem ressourcenoptimierten Matrikon eFlex OPC UA-Stack
• einem proprietären IEEE 802.AS PTP-Stacks zur Gewährleistung der Hardware-Portierbarkeit und -Unabhängigkeit
• einer kostengünstigen Testsuite-Umgebung zur Überwachung von Latenz, Jitter und Synchronisierung des TSN-Netzwerks.

Das Software Development Kit erlaubt eine Implementierung auf verschiedenen Plattformen und unterstützt die Implementierung hardwarespezifischen IEEE 802.1-Standards. Die bereits veröffentlichten Spezifikationen von OPC UA FX für C2C werden unterstützt. Folgende Spezifikationen, etwa C2D, werden ebenfalls nach offiziellem Release berücksichtigt.

Die Umsetzungsphase

Der Autor: Dimitri Philippe ist Geschäftsführer bei BE.services.

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BE.services hat bereits mit der Designarbeit für die Konfiguration von TSN-Netzwerken begonnen. Unter anderem liegt der Fokus auf Zielgeräten mit geringem Speicherbedarf. eTSN ist auf der SPS Messe mit Controller-, Bridge- und Device-Implementierungen auf der Zielhardware von Intel, Renesas und TI zu sehen. Als Beta-Version ist der Stack bereits verfügbar. Bis Mitte 2024 wird eTSN als Single-Stack mit Fokus auf Low-footprint Plattformen mit einem Speicher von nur 300 kB RAM und 300 kB Flash veröffentlicht.