Der große Schritt ist vollbracht: Durch die Initiative der OPC Foundation ‚OPC UA including TSN‘ wird OPC UA der einheitliche Kommunikations­standard im Industrial IoT. Ein wichtiger Schritt hierbei: Die Standardisierung und Weiterentwicklung von OPC UA für die Feldebene erfolgt unter dem Dach der OPC Foundation. Damit wird dem Markt ein langjähriger Wunsch erfüllt: Es entsteht eine herstellerübergreifende und schnittstellenfreie Lösung für die Kommunikation in der Industrie.

B&R unterstützt diese Entwicklung, in- dem es sich in den involvierten Standardisierungs-Organisationen der OPC Foundation, des IEC/IEEE und des VDMA einbringt. Mit der aktiven Teilnahme von B&R an Testbeds, wie dem des Industrial Internet Consortium, will das Unternehmen dazu beitragen, dass Maschinenbauer und -betreiber baldmöglichst von einer harmonisierten Kommunikation in der Industrie profitieren.
 

Die Anforderungen

Die Gründe für und die Anforderungen an OPC UA over TSN leiten sich von den Erwartungen an das Industrial IoT ab. Das betrifft im Wesentlichen die Gestaltung von effizienten und effektiven Produktionsprozessen, bei gleichzeitiger Reduktion der Aufwände für Inbetriebnahme und Wartung sowie die kosteneffiziente Massenherstellung von individualisierten Produkten. Dies erfordert einen Wandel der herkömmlichen Produktionslinien zu flexiblen Produktionseinheiten und den permanenten Einblick in Produktionsprozesse, ohne den Maschinenbetrieb zu stören. Weitere Aspekte sind die wachsende Anzahl an Netzwerk-Teilnehmern, das steigende Datenvolumen und die Vision, eine Technologie zu entwickeln, die selbst den extremen zeitlichen Anforderungen der nächsten Jahrzehnte gewachsen sein wird. Bei der Standardisierung wird deshalb auf allen Ebenen darauf geachtet, dass OPC UA over TSN auch die Anforderungen zukünftiger Industrial-IoT-Anwendungen erfüllen kann.

Ein wichtiger Indikator für die Leisstungsfähigkeit der Technologie – speziell in Motion-Control-Anwendungen – ist die kürzeste erreichbare Zykluszeit. Sie beziffert jenen Zeitraum, den eine Steuerung benötigt, um alle ausgehenden Datenpakete an alle entsprechenden Netzwerk-Teilnehmer zu senden und im Gegenzug alle eingehenden Datenpakte der Teilnehmer zu empfangen. Wichtig ist, dass alle Netzwerk-Teilnehmer die ausgehenden Datenpakete von der Steuerung innerhalb desselben Zyklus erhalten. Das Erreichen kürzester Zykluszeiten wird als die größte Herausforderung angesehen. Erfüllt die Technologie diese Anforderung, kann sie jederzeit auch in Umgebungen mit geringeren zeitlichen Ansprüchen eingesetzt werden. 

Das Whitepaper ‚OPC UA TSN – A new Solution for Industrial Communication‘ vergleicht die Zykluszeiten verschiedener Industrial-Ethernet-Lösungen mit OPC UA over TSN. Herausragend ist, dass Netzwerk-Teilnehmer mit OPC UA over TSN bis zu 18-mal schneller kommunizieren können als mit allen heute am Markt verfügbaren Protokollen. Das eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich hochsynchroner Antriebsapplikationen und Steuerungsaufgaben.

Zudem erlaubt die Technologie die gleichzeitige Ansteuerung von mehr als 10.000 Knoten in einem Netzwerk und profitiert von Bandbreiten-Erweiterungen des Ethernet-Standards, sodass auch große Datenmengen problemlos handhabbar bleiben. Von Vorteil ist dies zum Beispiel für Big-Data-Analysen oder bei integrierten Vision-Applikationen.
 

Plug and produce

OPC UA over TSN wird zukünftig plug-and-producefähige Netzwerke ermöglichen, die sich einfach administrieren und konfigurieren lassen. Mit dem OPC-UA-Informationsmodell können Geräte erkannt und eingebunden werden. Durch die Standardisierung von Anwendungs-profilen für I/O, Motion und Safety können Anwender auf das größte Ökosystem an Komponenten zugreifen. 

Integration und Administration werden, aufgrund der herstellerübergreifenden Beschreibung von Maschinenprozessen, durch OPC-UA-Companion-Spezifikationen wesentlich reduziert. Damit sparen Anwender Zeit und Ressourcen bei der Inbetriebnahme und während der laufenden Produktion.  
 

Seriengeräte in Kürze

Der OPC-UA-TSN-Buscontroller ist bereits als Prototyp ­verfügbar und wird in der zweiten Jahreshälfte 2019 in Serie gehen.

© B&R

Die Kernstandards für OPC UA over TSN sind finalisiert und die ersten darauf basierenden Produkte stehen unmittelbar vor der Serienreife. B&R wird im zweiten Halbjahr 2019 Steuerungen und Buscontroller in Serie bringen, die mit OPC UA over TSN kommunizieren. Die Hardware ist so ausgelegt, dass zukünftige Ergänzungen der Standards mit Software- oder ­Firmware-Upgrades übernommen werden können.

B&R plant den nächsten Schritt für die Erweiterung des Portfolios für das Jahr 2020 und legt dabei den Fokus auf die Integration der neuen Technologie in die Servoantriebe. Bestehende Powerlink-Netzwerke lassen sich problemlos in ein OPC-UA-over-TSN-Netzwerk integrieren. Eine entsprechende Companion-Spezifikation stellt sicher, dass die Daten in Echtzeit und ohne Informationsverlust ausgetauscht werden.

Autor: Stefan Bina ist Product Manager Industrial IoT Network Solutions bei B&R.

Zwei Anwendungsbeispiele

Die Automobil-Produktion
Seit Jahren werden Autokarosserien auf vollautomatischen Produktionsstraßen von hochsynchronisierten Robotern zusammengeschweißt – der Mensch muss lediglich überwachen, ob alle Maschinen korrekt arbeiten. Was wie ein Paradebeispiel für die Produktion der Zukunft aussieht, hat jedoch einige Schwachpunkte. Zwischen den einzelnen Produktionsschritten gibt es keine einheitliche Kommunikation. Daten können nur über eigens programmierte Schnittstellen ausgetauscht werden. Es gibt weder eine einheitliche Produktionssteuerung noch eine einheitliche Datenbasis. Häufig hat jede Produktionseinheit nicht nur ein eigenes Steuerungssystem, sondern sogar eine komplett eigenständige IT-Infrastruktur. Der Aufwand für die Konfiguration und Administration einer so großen Zahl an Netzwerken ist sehr hoch. Eine Kommunikation zwischen den einzelnen Inseln ist nur über eigens programmierte Gateways möglich. An dieser Stelle werden viele Ressourcen verschwendet. Während innerhalb der Produktionseinheiten die Prozesse und Abläufe hochgradig optimiert und automatisiert sind, gibt es nur marginale Abstimmungen zwischen den einzelnen Prozessschritten.

Ein einheitliches Netzwerk ist ein erster Schritt, um die Produktion digital zu vernetzen. Dafür bedarf es einer Kommunikationstechnologie, die von allen Geräten und Komponenten herstellerübergreifend verstanden wird. Dazu gehören Maschinen und Linien, aber auch einzelne Sensoren und Aktoren sowie übergeordnete Systeme wie MES-, SCADA- und ERP-Systeme. 

Die große Vision ist, die vollständige Virtualisierung der Regelung und Steuerung der Automatisierungskomponenten und -funktionen. Dadurch können die Gesamtkosten und Produktionsstillstände, bei gleichzeitiger Steigerung der Maschinenausnutzung durch kontinuierliche Optimierung der Prozesse, reduziert werden.