OPC UA TSN Teil 4

Die einheitliche Kommunikationslösung der Zukunft Georg Kroiss, Teamlead Business Development Industrial TTTechSimon Brooks, Product Marketing Manager TTTech

Was verbirgt sich technisch hinter OPC UA TSN und wie arbeiten die beiden Technologien zusammen?

Mit OPC UA TSN wird herstellerunabhängige Echtzeit-Datenübertragung möglich, die die IT- und OT-Welt verschmelzen lässt. Dieser offene Standard ist für kostenoptimierte Endgeräte bis hin zu Cloud-Plattformen einsetzbar, ermöglicht echte Herstellerneutralität und ist ein entscheidender Faktor für die Verwertung von Maschinendaten, die für Produktivitätssteigerungen oder flexiblere Produktionsmodelle genutzt werden können. Technologisch gesehen gibt es mehrere Bausteine, die zusammen OPC UA TSN zu dem Kommunikationsstandard für eine vernetzte (Produktions-)Welt machen. TTTech beschäftigt sich seit seiner Gründung mit deterministischen Netzwerken und hat als Pionier im Bereich TSN auch die Standardisierung in der IEEE entscheidend mitgestaltet.

OPC UA legt zunächst fest, wie Daten in Information übersetzt werden und wie diese Information folglich in einer verteilten Umgebung – etwa in »Machine-to-Cloud«-Anwendungen – verwaltet wird. Indem OPC UA Daten in standardisierter Form repräsentiert, wird Interoperabilität zwischen Geräten ermöglicht, die bis dato nicht oder nur über aufwendige Umwege Daten teilen konnten. So erschließt OPC UA Anwendern eine Fülle bisher unerreichbarer Informationen und damit auch Erkenntnisse, die unmittelbar für Produktionsoptimierungen genutzt werden können.

Durch die Erweiterung um Publisher/Subscriber (Pub/Sub) Kommunikation kann OPC UA nun erstmals auch für die Kommunikation von Einem zu Vielen (Multicasting) genutzt werden. Das bedeutet, dass ein Gerät (der Publisher) Daten in standardisierter Form einer Gruppe von anderen Geräten (den Subscribern) zur Verfügung stellt. Der Publisher kann diese Informationen in definierten Zeitintervallen bereitstellen, sodass Subscriber wissen, wie oft – oder sogar genau wann – sie neue Maschinen- oder Produktionsdaten zu erwarten haben. Die Pub/Sub Erweiterung von OPC UA ermöglicht Industrieanwendern den Betrieb von Systemen zu automatisieren, die aus einer Vielzahl von bisher nicht interoperablen Geräten oder Maschinen verschiedener Hersteller bestehen.

TSN-Mechanismen für Echtzeitanforderungen

Viele automatisierte Systeme erfordern allerdings die verlässliche Bereitstellung von Daten innerhalb weniger Milli- oder sogar Microsekunden – sprich: in Echtzeit. An dieser Stelle tritt nun Time-Sensitive Networking (TSN) auf den Plan. TSN wird genau wie jenes Ethernet, das wir täglich mit unseren PCs im Büro nutzen, von der herstellerneutralen IEEE standardisiert. Es stellt eine offene, standardisierte Methode für die Kommunikation von Daten in harter Echtzeit zur Verfügung, indem es die bereits bestehenden »Quality of Service«-Mechanismen in Ethernet um zusätzliche Fähigkeiten erweitert. Quality of Service bezeichnet hier Methoden, die bestimmten Datenpaketen Vorrang am Netzwerk einräumen. TSN geht darüber hinaus: Es beinhaltet unterschiedliche Gruppen von Mechanismen, die den Datenfluss noch präziser steuern können. Mit TSN wird unter anderem die Kontrolle der Latenz, also jener Zeit, die die Daten im Netzwerk unterwegs sind, möglich. Andere Mechanismen gewährleisten Determinismus in der Datenübertragung oder Hochverfügbarkeit, also die Garantie, dass die Daten zum richtigen Zeitpunkt ankommen. Das Entscheidende an TSN ist, dass diese Eigenschaften auch dann bestehen bleiben, wenn parallel im Kommunikationsnetzwerk noch andere Arten von Daten transportiert werden.

Die wichtigsten TSN-Mechanismen sind die Zeitsynchronisation sowie der geplante (scheduled) Versand von Nachrichten. Die zwischen den einzelnen Komponenten des Kommunikationsnetzwerks geteilte Zeitbasis ermöglicht die Schaffung eines dedizierten, zeitgenauen Datenpfades für jeden Datenstrom durch die einzelnen Switches auf seinem Weg zu seinem Ziel. Nachdem OPC UA Pub/Sub nun die Bereitstellung von Daten in definierten Intervallen ermöglicht, können Datenströme mithilfe des Scheduling-Mechanismus von TSN geplant werden. Umgekehrt bedeutet dies, dass OPC UA Subscriber nun bereitgestellte Daten zu garantierten Zeitpunkten mit maximaler Präzision erhalten können. Dabei besteht kein Risiko von Datenverlust durch Netzwerküberlastung oder von High-Priority-Konflikten auf dem geteilten Netzwerk.

Ein wichtiger Nebeneffekt der Zeitsynchronisation ist, dass Daten, die von unterschiedlichen Geräten generiert werden nun mit einem exakten und eindeutigen Zeitstempel versehen werden können und so die Zeitreihen direkt vergleichbar werden.

Broker für den getakteten Datenaustausch

Um die Verbindung von Datenaustausch via OPC UA und deterministischer TSN-Kommunikation zu ermöglichen, benötigt es einen Mechanismus, der TSN-Ablaufpläne (Schedules) den bereitgestellten OPC UA Daten zuordnet. Diese Aufgabe erfüllt der TSN Pub/Sub Broker. Er wird als Softwaremodul implementiert, auf einem Switch oder einem anderen Netzwerkgerät gehostet, und interagiert mit den OPC UA Publisher und Subscriber Geräten einerseits sowie mit der TSN Scheduling-Software anderseits. Sobald das TSN Scheduling-Service bestätigt hat, dass es einen Pfad durch das Netzwerk für jeden vom Broker angefragten OPC UA Pub/Sub Datenstrom zuweisen kann, stellt der Broker den OPC UA Publishern die für die Konfiguration relevante Information zur Verfügung.

In Summe bietet die Kombination aus OPC UA Pub/Sub und TSN die Gesamtlösung, um herstellerübergreifend Industrie-4.0-Konzepte zu realisieren. TTTech nutzt seine langjährige Erfahrung mit zeitgesteuerten (deterministischen) Netzwerken für sicherheitskritische Anwendungen in Flugzeugen und Automobilen seit 2011 auch für die Entwicklung von Produkten für den Industriebereich. Das Unternehmen bietet schon heute ein Portfolio an Evaluierungsprodukten sowie Kommunikations-Stacks und Softwarewerkzeuge für den Serieneinsatz von TSN sowie »Nerve«, eine Fog Computing und Control-Lösung für Produktionsbetriebe an.