Kommunikationsstandard : Neue Ära: Wird OPC UA plus TSN der langersehnte Standard?

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 Feldbus-Spezialisten altes Eisen. Längst sind garantierte Echtzeit und eine Synchronisation von Steuerungen, Antrieben oder I/Os mit einer Genauigkeit von unter einer Mikrosekunde üblich.

Aber warum braucht es dann TSN überhaupt? Warum sollen die Feldbusse ihren Platz räumen? Heinrich Munz, 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.“ Durch Industrie 4.0 kommen dabei seiner Meinung nach zwei neue Anforderungen auf die Maschinenbauer zu, die mit herkömmlichen Methoden nicht zu lösen sind.

Erstens: Durch Gesetze nach Moore und Nielsen – nach denen sich die Computerleistung beziehungsweise die Netzwerkbandbreite 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 Web-Services „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 halbfertige 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/As in das Feld entwickelt und sind mit ihren primitiven Bit und Byte-Daten den modernen Anforderungen von serviceorientierter Steuerungs-zu-Steuerungskommunikation – Stichwort: Peer-to-Peer – nicht gewachsen. In der Szene 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 sehr 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 – etwa die Profibus Nutzerorganisation – vertreten zwar die Überzeugung, dass der Kommunikations-Kombi OPC UA plus TSN die Zukunft gehört, allerdings begrenzt auf das Einsatzfeld von der Cloud bis herunter in die Steuerungsebene. Die klassische Feldebene der Automatisierungs-Pyramide wird deren Überzeugung nach auch in Zukunft durch Lösungen wie Profinet IRT, EtherCAT und Sercos abgedeckt. Anders die Vertreter der sogenannten Shaper Group – einem losen Firmenverbund von mittlerweile 17 Herstellern der IT und Industrie Automation: „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.

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“, begründet OSADL Geschäftsführer Carsten Emde. Und dass die Open-Source-Implementierung funktioniert, belegte das OSADL auf der Messe mithilfe eines Demonstrators: Er zeigt mehrere TSN-fähige Embedded- Systeme, die sowohl Echtzeit- als auch Nichtechtzeitdaten übertragen. Mittels verschiedener Messmethoden wird belegt, dass es mit der aktuell bereits 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.

Damit die unterschiedlichsten Maschinen und Geräte im Verbund so reibungslos kommunizieren können, wie von Heinrich Munz gefordert, gilt es sogenannte Companion Standards zu definieren. In Deutschland forciert vor allem der VDMA mit seinen 38 Fachverbänden die Idee der OPC UA 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 Stefan 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 Stefan Hoppe: „Wir haben im Januar 2017 das OPC Labor Europa in Stuttgart eröffnet. Dort werden in Zukunft auch Companion Standards zertifiziert werden, wie zum Beispiel 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.“ Sicher schon einmal ein Anfang. Sollte TSN plus OPC UA allerdings derart populär werden, wie es die OSADL schon registriert, dann dürfte eine Zertifizierungsstelle definitiv zu wenig sein.

Auch die Automatisierier entdecken TSN für sich. Bachmann electronic beobachtet genau die Entwicklung und trägt diese mit. Die Normungsgruppe 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 dem schwäbischen Switch-Hersteller Hirschmann Automation and Control Forschungsprojekte durchgeführt, bei denen die Eignung der neuen Technologie in Verbindung mit der Steuerungstechnik untersucht wurden. Hirschmann hat dafür Prototypen von neuen, TSNfähigen Switches zur Verfügung gestellt, Bachmann stellt die Echtzeit-Steuerungen für die Automatisierungssysteme. Auch der Eggelsberger Automatisierer B&R kündigte kürzlich seine Mitgliedschaft im bereits dritten OPC UA TSN Testkonsortium an. Dieses Mal in Zusammenarbeit mit dem chinesischen Netzwerkausrüster Huawei. B&R will damit die Standards in Asien weiter vorantreiben.

Und auch Siemens hat den Trend erkannt. Die Münchner kündigten auf einer Presseveranstaltung an, dass Profinet-Netzwerkinfrastrukturen sukzessivedie TSN-Basistechnologie integriert werden. Das deckt sich mit der Meinung von Karsten Schneider von Profibus & Profinet International im Interview mit dem österreichischen Industriemagazin: „Wir sehen bei Profibus & Profinet International in TSN auch „nur“ einen weiteren Mechanismus, den wir zukünftig für Profinet nutzen werden.“ 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 beispielsweise SPS zu übergeben oder von dort Werte zu bekommen. Siemens wird TSN bis zur Feldebene führen, heißt es in der Präsentation des Konzerns und OPC UA bis zum Control Level – für manche ein Wermutstropfen.