Im Zuge der Digitalisierung steigt die Menge generierter Daten stark an. „Um diese Daten nutzbar zu machen, braucht es flexible und skalierbare Speicher- und Rechenkapazitäten. Diese Eigenschaften bringen Cloud-basierte Systeme, wie das Cloud-basierte offene IoT-Betriebssystem Mindsphere mit“, sagt Frederik Nitsche Produkt Manager Simatic Kommunikationsprodukte bei Siemens. Er nennt ein Beispiel: In einer Fabrik werden Daten aus verschiedenen Maschinen, die ein Werkstück bearbeiten, gesammelt. „Einzeln und für sich genommen, lassen die aufgenommenen Messwerte keinen Rückschluss auf die Qualität des Werkstücks zu. Zentral in der Cloud gesammelt und korreliert, können sich jedoch ganz neue Optimierungs- oder Entscheidungspotenziale zeigen.“
Doch wie erfolgt das Einsammeln der Daten von Geräten auch von unterschiedlichen Herstellern? Nitsche empfiehlt hier den offenen Ethernet-basierten Kommunikationsstandard OPC UA. Dieser ermöglicht die nahtlose Kommunikation mit Anwendungen von Drittanbietern und ist flexibel skalierbar. Mit seinen semantischen Eigenschaften beinhalte OPC UA zudem ein einzigartiges Informationsmodell und biete bewährte Security-Mechanismen wie Authentifizierung, Autorisierung und Verschlüsselung.
Zwei Kommunikationsmodelle
OPC UA bietet für unterschiedliche Anwendungen zwei verschiedene Kommunikationsmodelle:
OPC UA Client/Server: In diesem One-to-one-Kommunikationsmechanismus erhält jeder OPC UA-Client über eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation Zugriff auf die Daten des OPC UA-Servers: Der OPC UA-Client sendet eine Anfrage an den OPC UA-Server und erhält von diesem eine Antwort. Nitsche: „Diese Form der Kommunikation ermöglicht einen zuverlässigen, gesicherten und verschlüsselten Datenaustausch mit reduzierter Bandbreite und ohne Datenverlust, selbst wenn Umgebung und Netzwerkqualität nicht optimal sind und Störeinflüsse aufweisen.“
Bei OPC UA PubSub (Publish/Subscribe) wird dagegen eine One-to-many-Kommunikation eingesetzt: Ein Publisher stellt dabei Daten zur Verfügung, die von beliebig vielen Subscribern im Netzwerk empfangen werden können. Je nach verwendeter Technologie können so kurze Zykluszeiten erreicht werden.
„Für einen einfachen Datenaustausch eignet sich das OPC UA Client/Server Modell“, fasst Nitsche zusammen. Flexibler gestalte sich OPC UA PubSub – „so lässt sich beispielsweise die Anbindung an Cloud-Systeme realisieren, während speziell in Verbindung mit Time-Sensitive Networking echtzeitfähige Kommunikation auf Steuerungsebene bei zeitkritischen Anwendungen ermöglicht wird.“ Gleichzeitig könne für die Kommunikation auf Feld-Ebene weiterhin der bewährte Profinet-Standard eingesetzt werden.
Kommunikation in Echtzeit
Time-Sensitive Networking erweitert den Ethernet-Standard für die Echtzeitkommunikation um dringend benötigten Mechanismen wie zeitgesteuertes Senden, Synchronisation oder Bandbreitenreservierung. Mit TSN kann Ethernet künftig alle angeschlossenen Geräte, die diese erweiterten Standards unterstützen, mit einer gemeinsamen Zeitinformation versorgen, sodass das gesamte Netzwerk präzise im gleichen Takt arbeitet. Außerdem sorgen Reservierungsprotokolle dafür, dass die Datenpakete nach einem vorgegebenen Fahrplan vom Sender über alle Zwischenstationen zum Ziel gelangen. Zeitsynchrone Echtzeitkommunikation (also harte Echtzeitkommunikation) wird z. B. für hochgenauen Gleichlauf von Motoren benötigt.
Nitsche: „Mit TSN wird in Zukunft auch bei der Maschine-Maschine Kommunikation zeitkritischer Datenaustausch einfach realisierbar. Da TSN die Bandbreitenreservierung sicherstellt, können parallel zu zeitkritischen Informationen auch große Datenmengen übertragen werden, ohne dass es dabei zu einer Beeinflussung kommen kann.“
Hierzu liefere Siemens bereits passende Produkte: „OPC UA ist bereits sowohl in die Simatic S7-1500 Steuerungen beziehungsweise über den CP443-1 OPC UA in der S7-400 Familie als auch in Endgeräten wie Simatic RF600 RFID-Readern integriert“, sagt Nitsche. Passende Kommunikationsprozessoren ermöglichen Kommunikation beispielsweise zwischen Steuerungen mittels OPC UA PubSub mit TSN. „Die Technologien und Lösungen für die industrielle Kommunikation in der Digitalisierung sind mittlerweile vorhanden“, so Nitsche, „einer Umsetzung steht also nichts mehr im Wege.“
Siemens AG
www.siemens.com/industrielle-kommunikation
Hannover Messe Halle 9, Stand D35
OPC UA & TSN plus Profinet
Die OPC Foundation will OPC UA für die Industrieautomation bis hinuter auf die Feldebene ertüchtigen. Daher sollen unter dem Dach der OPC Foundation künftig auch die Standardisierungsbemühungen zum Thema OPC UA mit TSN vorangetrieben werden. Diese Initiative kann auf breite Unterstützung der Größten in der Branche zählen: So haben auf der SPS IPCD Drives 2018 nun auch Größen wie Mitsubishi, Rockwell und eben Siemens ihre Unterstützung angekündigt.
„Wir begrüßen die von der OPC Foundation kürzlich bekanntgegebene Initiative, die Standardisierungs- und Harmonisierungsaktivitäten für OPC UA auch auf TSN-fähige Ethernet-Netzwerke für die Feldebene auszuweiten“, heisst es bei Siemens. Weil man aber auch eine hohe Verantwortung gegenüber der installierten Basis trage, wolle man weiterhin die Profinet-Technologie vorantreiben. So wurden gemeinsame Arbeitsgruppen zwischen Mitgliedern der PNO und OPC Foundation eingerichtet. Dort werden Themen wie Safety over OPC UA auf Basis von Profisafe-Mechanismen für die Kommunikation zwischen Steuerungen oder die Abbildung von Profinet auf das OPC UA-Informationsmodell z. B. für Diagnose standardisiert. Siemens: „Kunden können zeitnah von diesen Innovationen profitieren, ohne auf TSN warten zu müssen, indem sie OPC UA einfach parallel in bestehenden Profinet-Netzwerkinstallationen betreiben.“
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