Auch von der Auto-Branche unterstützt OPC UA TSN – die Zukunft des IIoT?

Die Bedeutung von OPC UA im Referenzarchitekturmodell RAMI4.0 der Plattform Industrie 4.0
Die Bedeutung von OPC UA im Referenzarchitekturmodell RAMI4.0 der Plattform Industrie 4.0

Die Kombination von OPC UA und Echtzeit Ethernet TSN gilt als geeignete Datenkommunikationstechnik fürs IIoT – aber kann sie die klassischen Echtzeit-Ethernet-Protokolle verdrängen? Welche Rolle werden diese künftig spielen? Werden sie sich auf die Profilebene zurückziehen? Experten geben Auskunft.

Markt&Technik: Welche Aufgaben und Funktionen erfüllt OPC UA, welche TSN in OPC-UA-TSN-Systemen?

Dr. Oliver Kleineberg, Advance Development Manager für die Belden-Marke Hirschmann: OPC UA ist ein Ecosystem zur standardisierten Kommunikation zwischen intelligenten Maschinen und anderen Endsystemen. OPC UA spezifiziert sowohl die Gerätemodelle für eine semantische Beschreibung und einen standardisierten Zugriff auf Management- und Diagnoseobjekte als auch die Kommunikationsprotokolle für die Übertragung der Informationen.

Mittels OPC UA lässt sich umfassende Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller erreichen, solange sich alle Teilnehmer an die OPC-UA-Spezifikation halten. OPC UA ist ein Anwendungsprotokoll; es ist also auf den höheren Schichten gängiger Kommunikationsmodelle wie ISO-OSI oder DoD „zu Hause“. TSN dagegen ist ein reines Schicht-2-Protokoll, das klassisches Ethernet nach IEEE 802.3 und Bridging nach IEEE 802.1 um neue Funktionen erweitert. TSN ist selbst Teil der IEEE-Spezifikationen 802.1 und 802.3 und ist somit vollständig rückwärtskompatibel.

Die Kombination von TSN und OPC UA ermöglicht es, ein vollständig herstellerneutral spezifiziertes Kommunikationssystem von der physikalischen Schicht bis zur Anwendungsschicht bereitzustellen. Ethernet und TSN bedienen im ISO-OSI-Modell die Schichten 1 und 2. Die Standardprotokolle IP und TCP/UDP bedienen die Schichten 3 und 4; OPC UA dockt mit seinen standardisierten Diensten an die Schicht 4 an.

Sebastian Sachse, Leiter Technologie Marketing Open Automation Technologies bei B&R: OPC UA liefert das Datenmodell, mit dem Daten nicht nur transportiert, sondern auch semantisch beschrieben werden. Dies erleichtert den herstellerübergreifenden Austausch von Informationen wesentlich. Um die gewünschte Echtzeitfähigkeit für die industrielle Kommunikation oberhalb der Steuerungsebene zu erreichen, wird OPC UA derzeit um einen Publish/Subscribe-Mechanismus erweitert.

OPC UA arbeitet bisher mit einem Client/Server-Mechanismus. Ein Client fragt eine Information an (Request) und erhält eine Antwort von einem Server (Response). Dieses System stößt an seine Grenzen, wenn das Netzwerk viele Teilnehmer hat. Das Pub/Sub-Modell dagegen ermöglicht eine One-to-many- und eine Many-to-many-Kommunikation. Ein Server sendet seine Daten in das Netzwerk (Publish), und jeder Client kann diese Daten empfangen (Subscribe). In Kombination mit TSN wird OPC UA mit Pub/Sub die Echtzeitanforderungen der Industrie erfüllen.

OPC UA selbst echtzeitfähig zu machen, wäre technisch durchaus möglich, jedoch mit hohem Aufwand und vielen Nachteilen verbunden. Daher haben sich zahlreiche Automatisierungs- und Roboterhersteller zusammengeschlossen, um einen anderen Weg zu gehen: OPC UA soll auf TSN aufsetzen, einer Echtzeit-Erweiterung des Ethernet-Standards IEEE 802.1, an der gerade gearbeitet wird. Ein großer Vorteil von TSN ist, dass auch die Automobilbranche auf den Standard setzt. Damit werden die nötigen Halbleiter-Baugruppen schnell und vergleichsweise kostengünstig verfügbar sein.