Suchen

OPC UA over TSN Ein Netzwerkkabel für die komplette Kommunikation

| Redakteur: Silvano Böni

Maschinenbauer und produzierende Industrie stehen vor einer gemeinsamen Herausforderung: Die steigende Komplexität der Produktion macht ihnen immer mehr zu schaffen. Um mit den einhergehenden Herausforderungen zurechtzukommen, bedarf es einer neuen Generation an Automatisierungslösungen.

Firmen zum Thema

Mit einem offenen Standard wird aus der Vielzahl an Protokollen ein einziges mit nur einer Schnittstelle.
Mit einem offenen Standard wird aus der Vielzahl an Protokollen ein einziges mit nur einer Schnittstelle.
(Bild: B&R)

Die industrielle Produktion wandelt sich. Von reinen Massenprodukten geht der Trend hin zu individualisierten Produkten. Die heutigen Produktionslinien, die oft nur auf ein einziges Produkt ausgelegt sind, können diesen Anforderungen nur schwer nachkommen. Um kleine Losgrössen wirtschaftlich zu produzieren, braucht es kleinere und modulare Fertigungseinheiten, die jederzeit neu konfiguriert werden können – schnell und ohne grossen Aufwand.

Selbst Fertigungsschritte in kleinen modularen Fertigungseinheiten werden aufwendiger, deshalb müssen zum Beispiel mehr Achsen integriert und zahlreiche unterschiedliche Komponenten verbaut werden. Das heisst: Die Maschinen werden komplexer und brauchen dadurch mehr Performance. Zudem stammen die einzelnen Komponenten von unterschiedlichen Herstellern und müssen dennoch miteinander kommunizieren und Daten austauschen können.

Bildergalerie

Innovationssprung für Maschinenbauer ermöglichen

Die Basis, um diese Herausforderungen bewältigen zu können und eine flexible Produktion real werden zu lassen, ist ein herstellerübergreifender Netzwerkstandard: «Nur mit einem einheitlichen echtzeitfähigen Netzwerk, das interoperabel ist und die Standards der IT mit den Standards der Industrie vereinheitlicht, ist der Sprung hin zu Innovationen für die Produktion von kleinen Losgrössen für Maschinenbauer erreichbar», sagt Konstantin Klein, Produktmanager für Industrial IoT Network Solutions bei B&R.

Nur eine Schnittstelle

Eine Voraussetzung für ein einheitliches Netzwerk ist ein offenes und echtzeitfähiges Kommunikationsprotokoll. «Die Zeiten, in denen sich Maschinenbauer auf ein proprietäres Kommunikationsprotokoll festlegen müssen, sind vorbei», sagt Klein. Mit einem offenen Standard wird aus der Vielzahl an Protokollen ein einziges mit nur einer Schnittstelle. Diese Schnittstelle tauscht standardisierte Daten mit den Netzwerkteilnehmern aus. Die Entwicklung wird massgeblich vereinfacht, da es nur mehr eine Schnittstelle braucht. Zudem werden Beschreibungen von Systemen, Geräten und Variablen standardisiert und vereinheitlicht. Durch diese Standards werden die Geräte auch informationstechnisch beschrie­ben.

Führende Hersteller von Automatisierungs- und Informationstechnik setzen hierbei auf die herstellerunabhängige Kommunikationslösung OPC UA over TSN. Bisher musste der Maschinenbauer eine Vielzahl an Schnittstellen aufwendig definieren und alle Systeminformationen einarbeiten. Mit OPC UA over TSN entfällt dieser Aufwand. Die Kommunikationslösung überträgt im Gegensatz zu anderen Protokollen nicht nur einzelne Daten, sondern Informationen. Diese werden ohne weitere Erklärung von jedem Teilnehmer im Netzwerk verstanden. Die Fehleranfälligkeit sinkt und flexible Maschinenkonzepte lassen sich viel einfacher umsetzen.

Beliebige Geräte in Maschinen einbinden

Mit OPC UA over TSN hat jedes Gerät sein eigenes Informationsmodell, in dem alle relevanten Informationen gespeichert sind. Dadurch kann zum Beispiel jeder beliebige Antrieb – egal von welchem Hersteller und ohne grossen Zeitaufwand – in jede beliebige Maschine eingebunden werden. So reduziert sich unter anderem der Aufwand beim Tausch eines defekten Geräts massgeblich.

Schnell und Sub-Mikrosekunden-genau

Eine Schnittstelle und eine einheitliche Sprache für unterschiedliche Geräte sind jedoch nur ein Teil der Gesamtlösung: Zykluszeiten und Bandbreiten spielen eine genauso wichtige Rolle. Zeitkritische Anwendungen, wie die Synchronisierung eines Roboters mit einem intelligenten Track-System, erfordern Zykluszeiten bis in den Mikrosekundenbereich. OPC UA over TSN hat 18-mal mehr Performance im Vergleich zu anderen Protokollen. «OPC UA over TSN bietet genügend Performance, um sämtliche Anwendungen von heute und morgen zu lösen», betont Klein.

Um diesen Performance-Sprung zu ermöglichen, wurde der Ethernet-Standard, auf dem die Kommunikationslösung basiert, um Time Sensitive Networking (TSN) erweitert. «Die Erweiterung um TSN garantiert die deterministische Übertragung von Daten in grossen konvergenten Netzwerken. Die alte Trennung von Maschinen- und IT-Netzwerken löst sich damit auf» sagt Klein. Schnelle zentrale Antriebskonzepte lassen sich mit OPC UA over TSN genauso lösen wie intelligente dezentrale Ar­chitekturen. Damit übertrifft OPC UA over TSN alle anderen gängigen Protokolle. Der Durchsatz einer Maschine steigt und die Produktqualität wird verbes­sert.

Von der Feldebene in die Cloud

Der Ethernet-Standard als Basis für OPC-UA-over-TSN-fähige Produkte bietet wesentlich höhere Bandbreiten durch eine Gigabit-Physik. So können Daten aus dem laufenden Betrieb gesammelt und zum Beispiel in die Cloud geschickt werden. «Somit wird die Feldebene mit der Cloud verbunden», hebt Klein hervor. IoT-Anwendungen wie Condition Monito­ring und Systeme zur vorausschauenden
Wartung können mit Zustandsdaten der Maschine gefüttert werden und so unter anderem ihre Lebensdauer erhöhen.

Herstellerübergreifend sicher

Die Vernetzung von Maschinen mit der Cloud erfordert ein hohes Mass an Sicherheit. Daher rückt das Thema Security immer mehr in den Fokus. OPC UA over TSN bietet die Möglichkeit, das Netzwerk herstellerübergreifend abzusichern. Für den sicheren und vertrauenswürdigen Austausch von Daten können im OPC-UA-over-TSN-System digitale Zertifikate nach dem Standard X.509 eingesetzt werden. «Security ist bei OPC UA over TSN in die Basis integriert und schützt das Netzwerk», sagt Klein.

Durch die vollständige Integration von OPC UA over TSN in seine Hard- und Software ermöglicht B&R dem Maschinenbauer eine herstellerübergreifende Netzwerkinteroperabilität, die ihn flexibler denn je werden lässt. Zudem wird der produzierenden Industrie die Tür zu neuen modularen Maschinen für die Produktion bis hin zu Losgrösse 1 geöffnet. «Was vor Jahren noch als Zukunftsvision galt, ist heute Realität – lediglich ein Netzwerkkabel reicht für die komplette Kommunikation im ganzen Netzwerk», sagt Klein. SMM

(ID:46669868)