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OPC UA und TSN erobern den Shop Floor

01 Die Kontron-Embedded-Cloud für Fog- und Edge-Computing mit TSN-Komponenten und Microsoft Azure Certified

01 Die Kontron-Embedded-Cloud für Fog- und Edge-Computing mit TSN-Komponenten und Microsoft Azure Certified

02 Kontron-TSN-Karte: Die Standard-Netzwerkkarte von Kontron umfasst einen integrierten Switch für redundante Netzwerke mit zwei oder vier Gigabit-Ethernet-Ports. Sie erfüllt alle Spezifikationen gemäß IEEE 802.1 und ist insbesondere für raue Industrieumgebungen geeignet

02 Kontron-TSN-Karte: Die Standard-Netzwerkkarte von Kontron umfasst einen integrierten Switch für redundante Netzwerke mit zwei oder vier Gigabit-Ethernet-Ports. Sie erfüllt alle Spezifikationen gemäß IEEE 802.1 und ist insbesondere für raue Industrieumgebungen geeignet

Für eine durchgängige Kommunikation innerhalb der Automatisierungspyramide sorgten bislang verschiedene Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme. Es ist davon auszugehen, dass diese Kommunikationsstandards auf absehbare Zeit auch nicht ganz verschwinden werden. Allerdings bieten der Ethernet-Standard für Time Sensitive Networking (TSN) in Verbindung mit dem plattformunabhängigen Interoperabilitäts-Standard OPC UA (Open Platform Communications – Unified Architecture) nun neue Wege in die Zukunft.
Bei der Prüfung von Produktionsprozessen im Rahmen von Digitalisierungsstrategien – Stichworte sind hier Industrie 4.0 und Industrial Internet of Things („IIoT“) – stellt man fest, dass die heute bestehende Abgrenzung zwischen IT (Information Technology) und OT (Operational Technology) schrittweise aufgelöst werden muss, um Performance, Kosten und Managebarkeit der Infrastruktur zukünftig zu gewährleisten.
Dabei spielt TSN eine wichtige Rolle, da es eine Erweiterung des bestehenden Ethernet­Standards in Richtung deterministischer Datentransfer (Echtzeitfähigkeit) darstellt und damit auf der Transportebene einen elementaren Baustein für die Konvergenz von IT und OT bietet.
Der OPC­-UA­-Interoperability-­Standard ermöglicht den nahtlosen, sicheren und zuverlässigen Informationsfluss zwischen Geräten mehrerer Hersteller und trägt damit ebenfalls zur Konvergenz der industriellen Infrastrukturen bei. Mit OPC UA werden die neuen Herausforderungen an Sicherheit, Datenmodellierung, Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit optimal adressiert.
Verantwortlich für den unaufhaltsamen Trend sind unter anderem die rasante Weiterentwicklung von Embedded Hardware zu IoT-Devices und Technologien wie Cloud Computing. Doch um sich in einem anspruchsvollen Industrieumfeld zu etablieren, braucht es auch entsprechende Standards. Open Platform Communications – Unified Architecture in Verbindung mit Time Sensitive Networking sind die beiden Standards, die sich rasant durchsetzen. Dabei wird TSN das Potenzial zugeschrieben, den klassischen Feldbusspezifikationen Konkurrenz zu machen und diese möglicherweise mittelfristig sogar ganz zu ersetzen.
Um einen Standard zu etablieren, braucht es aber auch Player auf Hersteller­ und Anwenderseite, die mit aller Kraft daran arbeiten, den Markt dafür zu bereiten. Die großen IT­ bzw. Softwareanbieter, allen voran Microsoft mit seinem Cloudangebot Azure IoT Edge (ein Dienst, der Cloudfunktionen auf Edge­Ebene bereitstellt und hybride IoT­Cloud­ und Edgelösungen ermöglicht), drängen immer tiefer in die Automatisierungspyramide vor. Kontron hat sich deshalb entschlossen, viele seiner Embedded PC und Workstations – teilweise auch als Embedded Server – für das Fog­ und Edge-Computing mit Microsoft Azure IoT Edge zertifizieren zu lassen; derzeit handelt es sich um rund 20 Produkte und die Zahl wird laufend erweitert. Auf der Seite der Kommunikationsstandards setzt Kontron auf OPC UA und TSN (Bild 1).
Der OPC Foundation, die den OPC­UA­Standard weiterentwickelt und definiert, gehören mittlerweile mehr als 550 (Stand Dezember 2017) renommierte Unternehmen und Organisationen an. Darunter befinden sich Fertigungsunternehmern, Zulieferer, aber auch Technologieanbieter wie Kontron. Der Standard ist deshalb so bedeutend, weil er geräte­ und betriebssystemunabhängig die Verbindung zwischen der Feldebene und der IT­Ebene herstellen kann. Um sicherzugehen, dass der Standard erfolgreich wird, hat Microsoft die Implementation der entsprechenden Spezifikation als Open Source Software öffentlich gemacht. Anders als die Vorgängerversion, die nur auf Windows lauffähig ist, unterstützt sie praktisch jedes gängige Betriebssystem.
TSN ermöglicht konvergente ethernetbasierende Netzwerke, auf denen parallel zum IT­Datenverkehr auch zeitsynchronisierte, deterministische Kommunikation möglich ist, wie sie bei zeitkritischen Maschinensteuerungen und Prozessen unabdingbar sind. Die IEEE­802.1­TSN­Spezifikationen, wie Timing und Synchronisation, Time Aware Traffic Scheduling, Frame Preemption, Seamless Redundancy, Network Configuration und weitere, sorgen dafür, dass Datenpakete auf einem Standard­Ethernet­Netzwerk nach Bedarf garantiert zeitgerecht und hoch verfügbar zugestellt werden. Im industriellen Umfeld kann Ethernet TSN mit garantierter Latenz und Quality of Service („QoS“) mit Zeitsynchronisation proprietäre Feldbussysteme beispielsweise bei der Maschinensteuerung in der Fertigung ergänzen sowie mittelfristig sogar ersetzen und gleichzeitig nahtlos bis in die IT­Ebene kommunizieren.
TSN-Netzwerkkarte
Ende November 2017 präsentierte Kontron die erste Version seiner Standardnetzwerkkarte (NIC), die Time Sensitive Networking (TSN) ermöglicht. Mit der Standard­PCI­Express­Netzwerkkarte einschließlich der dazugehörigen Netzwerk­ und Switch­Treiber für Linux können Industriecomputer mit einem redundanten Ring­, Linien­, Daisy­Chain­ oder sternförmigen TSN­Netzwerk verbunden werden. Die TSN­Netzwerkkarte von Kontron (Bild 2) umfasst einen integrierten Switch für redundante Netzwerke mit zwei oder vier externen Gigabit­Ethernet­Ports und Anbindung an den Host Computer via PCI Express. Im FPGA lassen sich zukünftige Erweiterungen der TSN­Spezifikation durch Software­Updates integrieren. Die TSN­Netzwerkkarte ist für raue Industrieumgebungen entwickelt und kann im industriellen Temperaturbereich von −40 °C bis 85 °C betrieben werden.
Mit ihr lassen sich beispielsweise die Kontron­Box­PC, 19­Zoll­Server und Workstations der „KBox C“­Serie, ZINC19 und HPW­Produktfamilien problemlos für TSN erweitern. Ein TSN­Starterkit von Kontron, das ab März 2018, pünktlich zur Messe Embedded World, verfügbar sein wird, umfasst beispielsweise eine „KBox C­102“ als Industriecomputer für die zentrale Steuerung über die eingebaute Netzwerkkarte für TSN sowie die entsprechende Software.
2018: Das Jahr von TSN
Mit der Netzwerkkarte und Microsoft­Azure­Cloud­Unterstützung leistet Kontron seinen Beitrag zur schnellen Verbreitung von TSN und des OPC­UA­Standards. Bereits zur Embedded World 2018 wird ein Starter­Kit auf Systembasis für TSN erhältlich sein. Zudem wird die Karte mit Private Labeling angeboten, sodass Maschinenhersteller, Automatisierer und Systemintegratoren die TSN­Karte unter ihrem Brand in ihre Geräte einbauen und damit ihren Kunden Time­ to-Market­Vorteile für die Integration in TSN­Netze ermöglichen können.
Die aufwendigen Schnittstellen zwischen IT und OT sind heute oft noch ein Innovationshemmnis. In einer im November 2017 von Studie Ernst & Young veröffentlichten geben 59 % aller kleinen und mittelständischen Unternehmen vor allem die Investitionskosten als Hinderungsgrund an, warum Industrie­4.0-Technologien noch nicht oder nicht umfassend eingesetzt werden. Dabei schätzen die Unternehmen die Vorteile hoch ein: 72 % erhoffen sich eine Erhöhung der Produktionsflexibilität, 52 % erwarten schnellere Reaktionszeiten und 47 % hoffen, die Effektivität ihrer Anlagen zu erhöhen.
Die strikte Trennung zwischen Operational Technology an der Basis und Information Technology an der Spitze der Automatisierungspyramide beginnt zu verschmelzen. Viele Bereiche in der Feldebene, wie Maschinensteuerung, die bis vor Kurzem für Internet­Protocol­basierte Technologien unerreichbar schienen, stehen plötzlich vor einer Zeitenwende. Im Verbund mit S&T sieht sich Kontron nicht nur optimal aufgestellt, entsprechende Hardware zu liefern, sondern bietet auch vorintegrierte Cloudlösungen beispielsweise für Azure­IoT­Edge sowie weitere Software, Services und Beratungsleistungen an. (ih)

Norbert Hauser ist Vice President Marketing bei der Kontron S&T AG in Augsburg. norbert.hauser@kontron.com

Norbert Hauser ist Vice President Marketing bei der Kontron S&T AG in Augsburg. norbert.hauser@kontron.com