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Macht TSN plus OPC UA das Rennen?

01 In einem gemeinsamen Forschungsprojekt testen Bachmann Electronic und Hirschmann Automation and Controls die Möglichkeiten von TSN aus

01 In einem gemeinsamen Forschungsprojekt testen Bachmann Electronic und Hirschmann Automation and Controls die Möglichkeiten von TSN aus

02 Heinrich Munz ist bei Kuka für die Industrie-4.0-Visionen verantwortlich

02 Heinrich Munz ist bei Kuka für die Industrie-4.0-Visionen verantwortlich

Ethernet TSN ist derzeit in aller Munde. Dabei ist oftmals zu hören, dass Ethernet TSN breit Einzug in die Fabriken halten und im Verbund mit OPC UA als „der“ Kommunikationsstandard auch die etablierten Feldbusse bis hinunter zu den Sensoren verdrängen wird. Viele Maschinenbauer begrüßen diese Entwicklung und Automatisierer, wie Bachmann Electronic, engagieren sich dafür.

Time Sensitive Networking (TSN) steht für eine Reihe von Echtzeiterweiterungen des etablierten Ethernet-Standards, welche durch eine IEEE-Arbeitsgruppe (innerhalb IEEE 802.1) spezifiziert werden. Dabei stellen die Erweiterungen weniger eine Revolution dar, sie sind eher als ein vereinheitlichter Werkzeugkasten für unterschiedliche Probleme in der Echtzeitkommunikation zu verstehen. Nüchtern betrachtet sind diese Mechanismen für Feldbusspezialisten altes Eisen. Längst sind garantierte Echtzeit und eine Synchronisation von Steuerungen, Antrieben oder IO mit einer Genauigkeit von unter einer Mikrosekunde üblich.
Aber warum braucht es dann TSN überhaupt? Warum sollen die Feldbusse ihren Platz räumen? Heinrich Munz (Bild 2), bei Kuka für die Industrie-4.0-Visionen verantwortlich, geht auf die Anforderungen der künftigen industriellen Kommunikation ein: „Für Maschinenbauer ist deterministisches Echtzeit-Computing sehr wichtig. Wir müssen unsere Maschinen synchron zu deren Bewegungen teilweise im Sub-Millisekundenbereich von der kontrollierenden Software deterministisch steuern und regeln.“ Auf dem Weg der Umsetzung des Industrie-4.0-Gedankens kommen dabei seiner Meinung nach zwei neue Anforderungen auf die Maschinenbauer zu, die mit herkömmlichen Methoden nicht zu lösen sind.
Eine Frage der Besitzstandswahrung
Erstens: Durch Gesetze nach Moore und Nielsen – nach denen sich die Computerleistung beziehungsweise die Netz werkbandbreite alle 18 bis 24 Monate verdoppelt – ist es zukünftig nicht mehr sinnvoll, die einzelnen Aufgaben in komplexen, zentralen Steuerungen mit mehreren Betriebssystemen und Hypervisoren zu akkumulieren. Vielmehr müssen die Aufgaben auf kleine, einfach beherrschbare, vernetzte Knoten verteilt und sogenannte holonische Produktionssysteme gebildet werden. Dezentralisierung „unten“ auf dem Plant Floor und Zentralisierung durch Webservices „oben“ in der Cloud lautet die Devise in Zeiten von Industrie 4.0.
Zweitens: Manche dieser Knoten werden zukünftig nicht mehr fest installiert sein, sondern sie werden sich mobil bewegen und an den Haltestationen Echtzeitkommunikation mit den immobilen Stationen eingehen. Beispiel: Ein mobiler Roboter befördert das halb fertige Produkt an eine Bearbeitungsstation, wo ein fest installierter Roboter eine Poliermaschine trägt. Mittels synchronisierter Bewegungen polieren sie zusammen das Produkt. Die für diese geschilderten Anforderungen notwendige Echtzeitkommunikation ist bisher nur über Feldbusse möglich. Diese wurden jedoch – wie der Name schon sagt – für die Kommunikation von E/A in das Feld entwickelt und sind mit ihren primitiven Bit- und Byte-Daten den modernen Anforderungen von serviceorientierter Steuerung-zu-Steuerung-Kommunikation (Stichwort: Peer-to-Peer) nicht gewachsen. In der Branche hat sich deshalb in den letzten zwei Jahren die Überzeugung durchgesetzt, dass TSN als unterer Layer und OPC UA darauf aufsetzend, als Kommunikationslösung in der industriellen Automation schon bald eine große Rolle spielen wird. Nur, wo werden die Grenzen des Einsatzes liegen? In diesem Punkt herrscht derzeit noch kein Konsens in der Branche. Akteure wie die Profibus Nutzerorganisation vertreten zwar die Überzeugung, dass der Kommunikationskombi OPC UA plus TSN die Zukunft gehört, allerdings begrenzt auf das Einsatzfeld von der Cloud bis herunter in die Steuerungsebene. Die klassische Feldebene der Automatisierungspyramide wird deren Überzeugung nach auch in Zukunft durch Lösungen, wie Profinet IRT, Ethercat und Sercos, abgedeckt. Anders die Vertreter der sogenannten Shaper Group, ein loser Firmenverbund von mittlerweile 17 Herstellern der IT und Industrieautomation.
„Wir gehen davon aus, dass sich OPC UA plus TSN schnell als ein Game Changer im Bereich der Industrieautomation entpuppen wird, der erste und einzige Kandidat für den Aufbau einer ganzheitlichen Kommunikationsinfrastruktur vom Sensor bis zur Cloud“ – so ein Auszug aus dem jüngsten Whitepaper „OPC UA TSN – A new Solution for Industrial Communication“ der Gruppe.
Die Pub/Sub-Erweiterung
Vermisst wird seitens OPC UA momentan noch die dringend notwendige Pub/Sub-Erweiterung. Zwar kam im Februar 2018 die Freigabe der Pub/Sub-Spezifikation seitens der OPC Foundation. Die Arbeiten sind aber derart weit fortgeschritten, dass das Open Source Automation Development Lab (OSADL) zur Embedded World ebenfalls im Februar schon eine Open-Source-Implementierung der Pub/Sub-Erweiterung präsentierte. „Wir haben auf der SPS IPC Drives im November eine derart große Nachfrage nach einer solchen Implementierung erfahren, dass uns klar war: Wir müssen sofort ein solches Projekt auf den Weg bringen“, sagt OSADL-Geschäftsführer Carsten Emde. Und dass die Open-Source-Implementierung funktioniert, belegte das OSADL auf der Messe mithilfe eines Demonstrators: Er zeigte mehrere TSN-fähige Embedded- Systeme, die sowohl Echtzeit- als auch Nichtechtzeitdaten übertragen. Mittels verschiedener Messmethoden wird belegt, dass es mit der aktuell vorliegenden OPC-UA-Pub/Sub-Implementierung über TSN möglich ist, Echtzeitdaten ohne Broker an mehrere Empfänger zu übertragen, ohne dass diese von Nichtechtzeitdaten in ihrem Determinismus beeinträchtigt werden.
Die Companion-Standards
Damit die unterschiedlichen Maschinen und Geräte im Verbund so reibungslos kommunizieren können, wie von H. Munz gefordert, gilt es, sogenannte Companion-Standards zu definieren. In Deutschland forciert vor allem der VDMA mit seinen 38 Fachverbänden die Idee der OPCUA-Companion-Standards: Galten die Spritzgießer als Vorreiter, gefolgt von „Machine Vision“ und der Robotik, so sind aktuell nun bereits elf Fachverbände im VDMA mit dem Thema OPC UA aktiv befasst. „Die wirkliche Herausforderung der Zukunft ist, diese verschiedenen Companion Specs miteinander zu koordinieren, damit etwa ein Roboter und eine Spritzgießmaschine nicht komplett unterschiedliche MES oder Energie-Interfaces bekommen – dies wird vom VDMA synchronisiert“, lobt S. Hoppe, Vice President der OPC Foundation, die Aktivitäten. Nur, mit der Definition der Standards allein ist es nicht getan: Es braucht eine Institution, die im Idealfall in Form einer One-Stop-Shop-Dienstleistung die Zertifizierung der „OPC UA over TSN“-Geräte anbietet. Hierzu S. Hoppe: „Wir haben im Januar 2017 das OPC Labor Europa in Stuttgart eröffnet. Dort werden in Zukunft auch Companion-Standards zertifiziert werden, wie der Ende 2017 veröffentlichte OPC-UA-Open-SCS-Standard für die Serialisierung im pharmazeutischen Bereich. Das OPC-Labor rüstet sich auch, um in Zukunft als One-Stop-Shop-Dienstleistung die Zertifizierung für ,OPC UA over TSN‘-Geräte anzubieten.“ Sollte TSN plus OPC UA allerdings derart populär werden, wie es die OSADL schon registriert, dann dürfte eine Zertifizierungsstelle zu wenig sein.
Gemeinsam forschen
Auch die Automatisierer entdecken TSN für sich. So beobachtet Bachmann Electronic beispielsweise die Entwicklung genau und trägt diese mit. Die IEEE hat TSN als branchenunabhängige Lösung ausgearbeitet, um Ethernet weiter zu verbessern. „Somit ist absehbar, dass Automatisierer keine speziellen Komponenten entwickeln und einsetzen müssen“, erklärt Helmut Ritter, Product-Line-Manager bei Bachmann Electronic. Die Vorarlberger haben in Kooperation mit Hirschmann Automation & Control Forschungsprojekte durchgeführt, bei denen die Eignung der neuen Technologie in Verbindung mit der Steuerungstechnik untersucht wurden. Hirschmann hat dafür Prototypen von TSN-fähigen Switches zur Verfügung gestellt, Bachmann die Echtzeit-Steuerungen für die Automatisierungssysteme (Bild 1).
Und auch Siemens hat den Trend erkannt. Auf einer Presseveranstaltung kündigte das Unternehmen an, dass Profinet-Netzwerkinfrastrukturen sukzessive in die TSN-Basistechnologie integriert werden. Das deckt sich mit der Meinung von Karsten Schneider von Profibus & Profinet International (PI), der in TSN auch nur einen weiteren Mechanismus sieht, den PI zukünftig für Profinet nutzen wird. Etablierte Protokolle wie Profinet werden nach seiner Meinung daher auch weiterhin eine wesentliche Rolle spielen. Sie seien darauf spezialisiert, Daten im Feld einzusammeln und an einen Controller zu übergeben oder von dort Werte zu erhalten. Siemens wird TSN bis zur Feldebene führen, heißt es in der Präsentation des Konzerns, und OPC UA bis zum Control Level. (ih)

Theo Weingärtner ist freier Journalist. presse@bachmann.info