TSN schlägt Brücke zwischen IT-Welt und Fabrikautomatisierung

Architektur mit Potenzial

Die Kombination von TSN und OPC UA bringt den herstellerneutralen Standard für die Echtzeitkommunikation des IIoT. Grafik: Schneider Electric
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Bestehende Netzwerkinfrastrukturen sind nicht für eine Echtzeitkommunikation von Maschinen und Anlagen ausgelegt. Der Standard Time Sensitive Networking bietet eine solide Grundlage für einen einheitlichen Echtzeitstandard, vor allem in Verbindung mit OPC UA.

Die Anforderungen des Industriellen Internets der Dinge, kurz IIoT, sind sehr vielfältig. Produktionslinien werden vernetzt und Warenwirtschafts- und Händlersoftwaresysteme direkt bis hin zum Endanwender miteinander verknüpft. Mit der Echtzeitkommunikation steigen die Anforderungen an die Liniensynchronisation, den Prozessdatenaustausch und die funktionale Sicherheit. Zudem müssen Echtzeit- sowie Nichtechtzeitdaten über die gleiche Leitung (Ethernet) übertragen werden können. Hierfür werden in zukünftigen Industrieanlagen performante Netzwerkarchitekturen gesucht. Time Sensitive Networking (TSN) und OPC Unified Architecture (OPC UA) sind die beiden vielversprechendsten Technologien dafür. Sie eröffnen viele neue Möglichkeiten und beantworten Herausforderungen wie:

  • Plattform-Unabhängigkeit
  • Interoperabilität auf Kommunikations- und Datenebene
  • IT/OT-Konvergenz
  • Eingebaute und skalierbare Security
  • Generisches Objekt Model für Flexibilität
  • Protokoll-Skalierbarkeit für verschiedene Anwendungen (Cloud, Web, P2P, C2C, Server/Client)
  • Deterministische Echtzeit mit Best Effort Traffic gemischt

Herstellerneutraler IIoT-Feldbus

Der einfachste Weg wäre, die bestehenden Feldbusse auf TSN weiterzuentwickeln. Allerdings wird dadurch eine nahtlose und herstellerübergreifende Interoperabilität erschwert. Daher haben sich führende Automatisierungsspezialisten darauf geeinigt, mit OPC UA in Kombination mit TSN einen herstellerneutralen Standard zu erarbeiten und damit den IIoT-Feldbus der Zukunft zu definieren.

Das TSN Testbed des IIC wurde mittlerweile bei Bosch in Erbach repliziert. Schneider Electric beteiligt sich aktiv und evaluiert mit den dort beteiligten Partnerfirmen, dazu zählen etwa Bosch oder Kuka, die praktische Umsetzbarkeit. Die Integration von OPC UA- und TSN-Anwendungen in erste Prototypen ist bei den beteiligten Firmen stark vorangeschritten. In einem gemeinsamen Plug-fest wurde bewiesen, dass die einzelnen Komponenten untereinander kompatibel sind. Die Performancemessungen belegen, dass in der ersten prototypischen Implementierung Zykluszeiten im niedrigen Millisekunden-Bereich erreicht werden können. Diese Werte stehen denen aktueller Ethernet-basierter Feldbusse in nichts nach. Dass TSN in der Industrie zum Einsatz kommen wird, ist deshalb evident.

OPC UA TSN als Brückenkopf

Durch das Testbed wurde ausserdem klar, dass die Konfiguration eines OPC-UA-TSN-Systems in der Zukunft über eine Akzeptanz vom Markt entscheiden wird. Hier muss noch einige Arbeit geleistet werden, damit das System so einfach zu konfigurieren ist wie die heutigen Feldbusse.

Die Kombination von OPC UA und TSN hat das Potenzial, die lange gesuchte Brücke zwischen der IP-basierten IT-Welt und der Fabrikautomatisierung zu schlagen und die Kommunikation für alle Anwendungen in der Fabrikautomatisierung abzuwickeln. Die mögliche Erweiterung von OPC UA auf die Ebene der Linienautomatisierung erlaubt eine semantische Interoperabilität auf einem neuen Niveau. Die klassischen Feldbusse auf Factory-Ebene würden damit überflüssig. OPC UA bietet dafür eine sehr gute und fruchtbare Grundlage mit seinem flexiblen Informationsmodell. Des Weiteren erlaubt es OPC UA, ein System so abzusichern, dass es die Aspekte von Cyber Security berücksichtigt. Dies ist mit klassischen Feldbussen nicht oder nur bedingt möglich.