Nachgefragt: 2 Experten zu TSN – Teil 2 TSN – der neue Superheld?!

Autor: Sariana Kunze

Auf der SPS IPC Drives gaben ABB, Bosch Rexroth, B&R, Cisco, General Electric, National Instruments, Kuka, Parker Hannifin, Schneider Electric, SEW-Eurodrive und TTTech bekannt, dass sie OPC UA over TSN als die Standard-Kommunikationslösung zwischen industriellen Steuerungen und der Cloud vorantreiben wollen. Wir haben nachgefragt, was sich bis jetzt bei der Standardisierung getan hat und welche Produkt-Prototypen es gibt.

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Schnell wie der Blitz, das zeichnet den Superhelden Flash aus den DC Comics aus. Auch die Automatisierungshersteller arbeiten in der OPC-UA-TSN-Initiative derzeit an einem schnellen und echtzeitfähigen Superhelden für die Produktion.
Schnell wie der Blitz, das zeichnet den Superhelden Flash aus den DC Comics aus. Auch die Automatisierungshersteller arbeiten in der OPC-UA-TSN-Initiative derzeit an einem schnellen und echtzeitfähigen Superhelden für die Produktion.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Vor gut einem Jahr haben Sie Ihre Mitgliedschaft bei der OPC-UA-TSN-Initiative bekanntgegeben, um einen einheitlichen Standard für IIoT-Anwendungen zu erwirken. Was haben Sie als Gründungsmitglied bis jetzt erreicht?

Dr. Thomas Brandl, Director of Sercos & TSN Strategy bei Bosch Rexroth, gehört zu den Experten der OPC-UA-TSN-Initiative.
Dr. Thomas Brandl, Director of Sercos & TSN Strategy bei Bosch Rexroth, gehört zu den Experten der OPC-UA-TSN-Initiative.
(Bild: Bosch Rexroth)

Thomas Brandl: Die OPC-UA-TSN-Initiative hat insgesamt sehr gute Fortschritte erzielt. Die Zahl der beteiligten Unternehmen ist seit dem letzten Jahr schnell gewachsen. Im TSN-Testbed des Industrial Internet Consortiums arbeiten wir inzwischen mit etwa 30 anderen Unternehmen zusammen, um IT-Netze und Automatisierungsnetze zu verschmelzen und so die Grundlagen für IIoT-Anwendungen zu schaffen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse bringen wir in die Arbeitsgruppen der OPC Foundation und der Avnu Alliance ein. Da parallel zur Standardisierungsarbeit fast alle Unternehmen an Prototypen arbeiten und das herstellerübergreifende Zusammenspiel regelmäßig überprüfen, ist das sehr praxisnah. Bereits jetzt ist absehbar, dass durch den entstehenden herstellerübergreifenden Standard der Aufwand für die Integration von Maschinen in einem Fertigungsverbund deutlich reduziert wird.

Jürgen Hahnrarth, Head of IoT Solutions, Cisco Germany
Jürgen Hahnrarth, Head of IoT Solutions, Cisco Germany
(Bild: Cisco)

Jürgen Hahnrath: Cisco hat gemeinsam mit den Teilnehmern aus der Fertigungsindustrie weltweit Testumgebungen für Integrations- und Funktionstests aufgebaut. Diese demonstrieren erfolgreich den Ansatz und die Implementierung des Standards OPC UA TSN und zeigen, dass wir uns auf dem richtigen Weg befinden. Zudem haben wir wichtige Veranstaltungen der Industriebranche wie die Hannover Messe oder Meetings des Industrial Internet Consortiums (IIC) genutzt, um funktionsfähige und verfügbare Implementierungen des Standards zu demonstrieren. Auf dieser Basis arbeiten wir permanent am weiteren Aufbau der Bekanntheit dieses Standards.

Ethernet wird mit TSN echtzeitfähig. Welche bestehenden Ethernet-Standards konnten bislang weiterentwickelt werden, um einen Grad an Determinismus zu erreichen, der den Anforderungen moderner Steuerungsnetzwerke gerecht wird?

Thomas Brandl: TSN wird im Standard IEEE 802.1 definiert, der aus mehr als zehn teilweise sehr umfangreichen Elementen besteht. Im IIC TSN Testbed haben wir uns auf die Nutzung des folgenden Subsets auf der Datenübertragungsebene verständigt:

- Der bereits ratifizierte und publizierte Qcc-Standard garantiert ein echtzeitfähiges Scheduling.

- Für die Zeitsynchronisation nutzen wir aktuell 802.1AS. Sobald die Spezifikation der verbesserten Variante 802.1AS-Rev abgeschlossen ist, werden wir auf diese umsteigen.

- Für die Konfiguration des Netzwerks werden die in 802.1 Qbv definierten Schnittstellen und Methoden verwendet.

Um eine effiziente Nutzung von TSN mit OPC UA zu ermöglichen arbeiten wir auch an der Erstellung der Pub/Sub-Spezifikation in der OPC Foundation mit.

Jürgen Hahnrath: TSN ist ein Teil des Ethernet-Standards 802.1. Sein Fokus liegt auf garantierten Durchlaufzeiten und der Minimierung des Jitters, also von Schwankungen in der Übertragung. Eine wichtige Grundlage bildet hierfür der Standard IEEE 802.1Q. Er definiert Traffic-Klassen für eine notwendige Priorisierung des Datenverkehrs in Ethernet-Netzwerken. Insgesamt sind im Rahmen von TSN folgende Standards wichtig:

- 802.1Qbv für den Bereich Scheduling

- 802.1Qci für den Bereich Policies

- 802.1Qcc für den Bereich Reservation und

- 802.1Qbu für das Thema Preemtion

Damit lassen sich die Anforderungen an Latenz- und Jitter-Kontrolle erfüllen. Da die Themen Echtzeit und Synchronität extrem wichtig sind, besitzen zudem die Standards IEEE 802.1AS und IEEE 1588 eine bedeutende Rolle. Diese Möglichkeiten der Kompatibilität bieten eine gute Basis, um die Komplexität moderner Steuerungsnetzwerke in unserem Standard abbilden zu können.

Auf der SPS IPC Drives 2016 haben Sie erste Prototypen für die kommenden Generationen Ihrer Produkte angekündigt. Welche Produkte sind das und wie ist der aktuelle Entwicklungsstand?

Thomas Brandl: Für uns steht zunächst das nahtlose Zusammenspiel unserer auf Sercos basierenden Systemlösungen mit TSN im Vordergrund. Als erstes Produkt haben wir einen Sercos Softmaster freigegeben, der ohne spezielle Hardware zu nutzen die Performance und Synchronität für anspruchsvolle Motion-Anwendungen erreicht. Er nutzt dafür TSN-Features des Intel i210 Kommunikationsprozessor, der in vielen modernen PCs verfügbar ist. Diesen Sercos Softmaster stellen wir als Open-Source-Lösung sogar frei von Lizenzgebühren zur Verfügung. Unser OPC-UA-Client auf der Steuerung ist inzwischen als Produkt freigegeben. Damit können unsere Kunden die Vorteile von OPC UA in der Kommunikation zwischen Steuerungen bereits heute in Anwendungen nutzen, die keine Echtzeit erfordern. Mit Abschluss der Standardisierung und Entwicklung von OPC UA Pub/Sub sowie der relevanten TSN-Elemente wird das auch mit Echtzeitverhalten möglich sein. Schwerpunkt der aktuellen Arbeiten ist die anwenderfreundliche Konfiguration.

Jürgen Hahnrath: Im Rahmen von TSN auf der traditionellen Feldbus-Ebene haben wir uns mit den Produkten der Industrial-Ethernet-Reihe IE4000, IE4010 und IE5000 zunächst auf die TSN-Implementierung im LAN konzentriert. Diese Produkte sind mit der entsprechenden Software verfügbar. Für das Management ist der Industrial Network Director zur Verwaltung und Planung von TSN-Netzen seit der Hannover Messe 2017 erhältlich. Diese Lösung ermöglicht dem Arbeiter an der Maschine eine umfassende Kontrolle des Fabrik-Netzwerks – mit schnelleren Konfigurationsmöglichkeiten und geringerem Ausfallrisiko. Zudem bietet sie eine Plug-and-Play-Funktionalität, um nach der Installation des Managed Switch die entsprechenden Sicherheitseinstellungen und Funktionalitäten automatisch und ohne zusätzliche manuelle Programmierung einzurichten. Außerdem werden weitere Lösungen künftig die TSN-Implementierung über die gesamte Netzwerk-Infrastruktur ermöglichen.

In welchen Testbeds sind Sie zu diesem Thema aktiv? Und: Was testen Sie?

Thomas Brandl: Bosch Rexroth engagiert sich im IIC-TSN-Testbed des Industrial Internet Consortium. In 2016 hat dieses Konsortium ein erstes TSN-Testbed bei National Instruments in USA aufgebaut. Dieses Jahr haben wir entschieden, eine zweite Version des Testbeds in Deutschland aufzubauen, um für die schnell wachsende europäische Community eine räumlich nahe Testmöglichkeit zu schaffen. Wir haben bei Bosch Rexroth dafür die Räume und die Infrastruktur bereitgestellt. Jetzt finden an unserem Standort Erbach regelmäßig sogenannte Plugfeste statt. Dabei treffen sich die Entwickler der Hersteller von Steuerungen, Feldgeräten und Netzwerkinfrastrukturkomponenten, um das Zusammenspiel ihrer aktuellen TSN-Entwicklungen zu überprüfen. Sehr schnell konnten wir so den Austausch von Echtzeitdaten zwischen Steuerungen verschiedener Hersteller auf Basis von OPC UA TSN als Prototyp realisieren und verifizieren. Der dabei entstandene Demonstrator war während der Hannover Messe auf dem Stand des IIC zu sehen. Aktuell erarbeiten wir gemeinsam mit den anderen Unternehmen im IIC TSN Testbed die Grundlagen für eine einfache, anwenderfreundliche Konfiguration. Außerdem soll eine assoziierte Mitgliedschaft die Möglichkeit schaffen, dass Unternehmen unabhängig von einer Mitgliedschaft im Industrial Internet Consortium ihre Produkte im TSN-Testbed testen können.

Jürgen Hahnrath: Wir sind vor allem im Testbed des IIC sowie in Umgebungen mit der Avnu Alliance aktiv, arbeiten aber auch gemeinsam mit den US-amerikanischen und europäischen Vertretern der Industrie zusammen. Unser Fokus liegt dabei auf der durchgängigen Standardisierung der Interoperabilität zwischen allen beteiligten Lösungen.

Wird OPC UA TSN die klassischen Feldbusse ersetzen? Und reicht TSN künftig alleine aus?

Thomas Brandl: Bei einer Übertragungsrate von 1 GB wird TSN die Performance heutiger Feldbusse erreichen und übertreffen. Wenn dafür kostengünstige Hardware und eine einfache Konfigurationslösung zur Verfügung steht, kommen weitere Vorteile wie z.B. der transparente Datenzugriff auf die Feldebene und die in OPC integrierten Security-Funktionen zum Tragen. Eine echtzeitfähige Kommunikationsverbindung ist für den herstellerübergreifenden Informationsaustausch allerdings noch nicht ausreichend. Wie bei einem Telefongespräch, ist neben einer funktionierenden Verbindung auch eine gemeinsame Sprache erforderlich. Bei den heutigen Feldbuslösungen stellen Applikationsprofile, beispielsweise für Antriebsdaten, I/O und Safety die gemeinsame Sprache dar. Deshalb wurden die Sercos Applikationsprofile vor wenigen Wochen von der OPC Foundation als Companion Standard freigegeben. Grundsätzlich sehe ich eine längere Übergangsphase, in der es darauf ankommt, dass sich die heutigen Feldbusse und OPC UA TSN optimal ergänzen.

Jürgen Hahnrath: Wir sehen ein starkes Wachstum der Ethernet-basierten Kommunikation auf Maschinen-Ebene. Aber auch die klassischen Feldbusse wachsen weiter, wenn auch deutlich langsamer. Auch aufgrund der langen Investitionszyklen und des installierten Bestands werden klassische Feldbusse auf absehbare Zeit weiterhin genutzt, aber durch steigende Anforderungen an die Kommunikation erweitert werden. Das wird am Endpunkt der Produktion die Entwicklung von TSN weiter vorantreiben. Wir sind überzeugt, dass OPC UA TSN als der zukünftige Standard für die industrielle Automatisierung und IIoT-Konnektivität gesehen werden kann.

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Über den Autor

 Sariana Kunze

Sariana Kunze

Fachredakteurin Automatisierung, Vogel Commnications Group GmbH & Co. KG