Warum OPC UA nicht mit etablierten IEs? Auf Neues oder Bewährtes setzen?

Rahman Jamal, National Instruments

»TSN ist die erfolgreiche Konvergenz von zeitkritischen, nicht zeitkritischen und Daten-Streaming-Anwendungen über ein einziges Netzwerk.«
Rahman Jamal, National Instruments: »TSN ist die erfolgreiche Konvergenz von zeitkritischen, nicht zeitkritischen und Daten-Streaming-Anwendungen über ein einziges Netzwerk.«

Im Gegensatz zu den klassischen Industrial-Ethernet-Systemen erfordert Echtzeit Ethernet TSN keine spezifischen Hardware-Lösungen und erlaubt Bandbreiten von 1 GBit/s und mehr. Das OPC-UA-Protokoll lässt sich aber auch über die etablierten Systeme übertragen, etwa durch Timeslots oder per Tunneling.

Warum dann nicht einfach beim Bewährten bleiben, wenn 100 MBit/s als Bandbreite ausreichen? Experten aus sechs verschiedenen Unternehmen erläutern die Hintergründe.

Markt&Technik: Wenn sich das OPC-UA-Protokoll auch über die klassischen Industrial-Ethernet-Systeme übertragen lässt, wozu ist dann TSN überhaupt erforderlich?

Dr. Oliver Kleineberg, Advance Development Manager für die Belden-Marke Hirschmann: OPC UA benötigt nicht zwingend TSN. Sobald aber Zeitgarantien gefordert sind – besonders in Netzwerken, in denen sich Netzwerkverkehr mit niedriger Bandbreitenanforderung, aber hoher Priorität und anderer Netzwerkverkehr mit hoher Bandbreitenanforderung, aber niedrigerer Priorität überlagern – kann TSN für die wirkungsvolle Koexistenz beider Anforderungen an das Netzwerk sorgen. Darüber hinaus ist TSN herstellerneutral und vollständig rückwärtskompatibel. TSN erfordert keine Gateways wegen Netz- oder Technologieübergängen. Geräte unterschiedlicher Hersteller können im gleichen Netz zusammenarbeiten. Und es besteht kein Risiko, sich auf ein bestimmtes Ecosystem festzulegen.

Sebastian Sachse, Leiter Technologie Marketing Open Automation Technologies bei B&R: OPC UA lässt sich rein technisch über die klassischen Industrial-Ethernet-Systeme wie Powerlink übertragen. Ich gehe aber nicht davon aus, dass dieses Vorgehen sich innerhalb von Maschinen durchsetzt. Die Hersteller von Geräten müssten zwei Kommunikations-Stacks implementieren und eine entsprechend teure und performantere Hardware in ihren Produkten verbauen. Das ist auch der Grund, wieso es bisher noch keine Geräte auf der Device-Ebene mit mehreren gleichzeitig integrierten Kommunikationslösungen gibt. Die Umsetzung von OPC-UA-Informationen zu Maschinendaten und umgekehrt findet daher in der Steuerung statt.

Thomas Brandl, Programmleiter Communication Solutions bei Bosch Rexroth: Der Tunneling-Mechanismus bei Industrial-Ethernet-Systemen garantiert keine Echtzeit. Timeslots sind nur bei Industrial-Ethernet-Systemen mit geplanter synchroner Übertragung möglich. Das entspricht praktisch TSN. Wenn also bei OPC-UA-Kommunikation Echtzeit gefordert ist, dann ist das nur in Verbindung mit TSN möglich.

Heinrich Munz, Lead Architect Industry 4.0 bei Kuka: Erstens: Um ein standardisiertes, im Gegensatz zu allen bisher proprietären Feldbusbasteleien gleiches Ethernet-Echtzeitverfahren zu gewährleisten, worauf sich unterschiedliche höhere Protokolle wie OPC UA, aber auch herkömmliche Feldbusse abstützen können. Immerhin Layer 2 ist dann wenigstens identisch.

Zweitens: Einige der herkömmlichen Feldbusse lassen sich nur in separaten Netzwerken betreiben, eine Doppelverkabelung wird dadurch notwendig, und es ist nicht möglich, an die Teilnehmer des isolierten Feldbusnetzwerks direkt heranzukommen, etwa um Daten direkt in die Cloud zu transportieren. Theoretisch ist Tunneling etc. zwar möglich, aber dafür müssen die Steuerungen die Aufgabe eines Routers übernehmen. Das ist nicht ihr eigentlicher Zweck.

Rahman Jamal, Global Technology & Marketing Director bei National Instruments: Nun, man kann nicht alle traditionellen Technologien des Industrial Ethernet über einen Kamm scheren. Viele verschiedene Hersteller und Unternehmen haben Zeit und Geld investiert, damit „Ethernet“ für ihre Anwendungen genutzt werden kann.

In einigen Fällen konnten sie unverändertes Standard-Ethernet nutzen, mussten aber die Systemkonfiguration einschränken, um Zuverlässigkeit und Performance zu gewährleisten. In anderen Fällen nahmen sie starke Veränderungen auf Hardware-Ebene vor, um die Leistung zu erreichen, die sie brauchten. Tatsächlich wollten all diese Unternehmen aber Standard-Ethernet verwenden können und gleichzeitig die für ihren Fall erforderliche Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit erreichen. Niemand wollte Skalierbarkeit auf künftige Systeme, Interoperabilität oder Flexibilität einbüßen. Solche Kompromisse waren nötig, um existierende Technologien und Systeme zum Laufen zu bringen.

Die Antwort des Normungsinstituts IEEE darauf ist TSN, das Standard-Ethernet die erforderliche Infrastruktur verleihen soll. Ob die Industrie den Standard annimmt oder nicht, wird durch die Anforderungen an neue Anwendungen bestimmt werden, die mit Industrial Ethernet nicht oder nur mit erheblichen Schwierigkeiten realisierbar wären.

Die benötigte Bandbreite etwa ist ein wichtiges technisches Detail, aber der hauptsächliche Einsatzzweck von TSN wird die IT-OT-Konvergenz sein. Dies wird den Zugriff auf Daten gestatten, die für übergeordnete geschäftspolitische Entscheidungen, flexible Produktion und Prozessoptimierung erforderlich sind. In den USA wird dies oft als das Industrial Internet of Things (IIoT) mit der Ausrichtung „Smart Factory“ bezeichnet, in Deutschland nennen wir dies einfach „Industrie 4.0“.

Georg Stöger, Director Presales Industrial IoT bei TTTech Computertechnik: Natürlich ist OPC UA von der Netzwerktechnik unabhängig und lässt sich genauso gut über serielle Schnittstellen, drahtlose Netzwerke oder beliebige Ethernet-basierte und Ethernet-ähnliche Verbindungen nutzen. TSN ist nicht für OPC UA speziell nützlich, sondern für herstellerunabhängige Konvergenz im Netzwerk.