OPC UA PubSub-Kommunikation via TSN

Automatisierungspyramide wird aufgelöst

Um flexible und wandelbare Steuerungssysteme in der industriellen Automatisierungstechnik umzusetzen, müssen die streng hierarchischen Strukturen der Automatisierungspyramide aufgelöst werden. Dafür sind die Verbindungen der Feldgeräte und Steuerungen, welche heutzutage durch proprietäre Feldbusse erfolgt, durch herstellerunabhängige Lösungen, wie eine OPC UA PubSub-Kommunikation via TSN, zu ersetzen. Dann ist eine nahtlose Kommunikation und ebenen-unabhängige Interoperabilität möglich.
 Businessman selecting OPC Unified Architecture. 
Data Transmission in Industrial Networks concept.
Businessman selecting OPC Unified Architecture. Data Transmission in Industrial Networks concept.Bild: ©Funtap/stock.adobe.com

Eine vielversprechende Lösung dieses Problems ist die Datenübertragung über Echtzeitkommunikationsknoten, die über standardisierte, herstellerunabhängige Schnittstellen, im Netzwerk verbunden sind, anstatt aufproprietäre Feldbusse zu setzen. Die Kommunikation zwischen den Echtzeit-Netzwerkteilnehmern erfolgt durch verschlüsselte OPC UA Publish/Subscribe-Nachrichten. Um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten, basiert die Kommunikation auf TSN. Die Interoperabilität und das gemeinsame Verständnis der übertragenen Daten aller Netzwerkteilnehmer werden durch die Verwendung standardisierter OPC UA Datenmodelle ermöglicht. Hierfür müssen die Feldgeräte TSN- und OPC UA-kompatibel sein.

 Ein Echtzeit-Kommunikationsknoten der mittels OPC UA PubSup via TSN kommuniziert, ist eine gute Alternative für proprietäre Feldbussysteme
Ein Echtzeit-Kommunikationsknoten der mittels OPC UA PubSup via TSN kommuniziert, ist eine gute Alternative für proprietäre FeldbussystemeBild: Universität Stuttgart

Echtzeitfähiger Kommunikationsknoten mit einheitlicher Datenmodellierung

Bisher übliche ethernetbasierte Feldbusprotokolle ermöglichen eine deterministische latenzarme Kommunikation, stellen aber ein Hindernis für flexible Strukturen im Steuerungssektor dar, da die Protokolle der verschiedenen Feldbushersteller nicht miteinander kompatibel sind. Die Verwendung proprietärer Feldbussysteme zur Kommunikation mit Steuerungen schränkt die Flexibilität im Automatisierungssektor stark ein, weil das Umkonfigurieren vorhandener Systeme sowie das Ersetzen von Komponenten im Betrieb Herausforderungen darstellen.

In Industrie und Wissenschaft wird deshalb ein adäquater Ersatz für proprietäre Feldbussysteme erforscht und entwickelt. Eine vielversprechende Lösung ist die Etablierung eines echtzeitfähigen Kommunikationsknotens im Netzwerk, welcher über verschlüsselte Open Platform Communication Unified Architecture (OPC UA) Publish/Subscribe-Nachrichten über Time Sensitive Networking (TSN) kommuniziert. Datenmodelle der OPC UA Companion Specifications werden als grundlegende standardisierte Datenmodelle verwendet, um eindeutige Modellierung und Datentransfer zu ermöglichen. Um die Ressourcen des Nodes zu verwalten und die Aufgaben für die Nachrichtenübertragung zu planen, muss ein Echtzeitbetriebssystem auf dem Kommunikationsknoten installiert sein.

Für eine herstellerunabhängige Kommunikation ist die Modellierung von Informationen von entscheidender Bedeutung. OPC UA, standardisiert in der IEC 62541, ist eine plattformunabhängige, serviceorientierte Architektur für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation im Automatisierungsbereich. Das plattformunabhängige industrielle Kommunikationsprotokoll wurde für den Austausch von Nicht-Echtzeitdaten zwischen der Feld- und der Unternehmensebene über eine Server-Client-Kommunikation spezifiziert und stellt objektorientierte Datenmodelle für die Informationsdarstellung im Automatisierungsbereich bereit. Um den Kommunikations-Overhead zu reduzieren, ohne dass für jeden Client eine Sitzung verwaltet werden muss, bietet sich das Publish/Subscribe (PubSub)-Kommunikationsmuster an.

Echtzeitkommunikation durch TSN

Durch die Erweiterung der OPC UA Kommunikationsmuster um die PubSub Architektur, wurde die Kommunikation echtzeitfähig. Derzeit werden vier verschiedene Transportprotokolle unterstützt. Für den deterministischen Datenaustausch kann OPC UA PubSub mit UDP oder Layer-2-Ethernet in Kombination mit einem Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk verwendet werden. Dies bietet die Möglichkeit, OPC UA auch für Echtzeitdatenübertragung mittels TSN zu nutzen. Diese Datenübertragung zwischen Feldgeräten und Steuerungsebene adressiert derzeit die OPC UA Arbeitsgruppe Field Level Communication (FLC).

Die TSN-Erweiterungen des Ethernet-Standards, die in der IEEE 802.1 TSN Task Group entwickelt wurden, bieten die Möglichkeit, Daten mit begrenzten Latenzen in Ethernet-Netzen auszutauschen. Normalerweise werden Daten von einem Endpunkt auf der Feld- oder Steuerungsebene über Switches an andere Endpunkte übertragen. Um den notwendigen Netzwerk-Determinismus zu gewährleisten, sind die Latenz sowie der Jitter bei der Übertragung zu begrenzen. Die TSN-Spezifikationen definieren Schlüsselmerkmale für die Abwicklung von Echtzeitverkehr sowie die Begrenzung von Latenzen durch gemeinsame Zeitsynchronisation und die Vermeidung von Framepuffern in Switches sowie von Portblockierung.

Anforderungen an den Kommunikationsknoten

Um die Echtzeitfähigkeit eines Rechenknotens im Netzwerk zu gewährleisten, müssen der Software- und Kommunikationsstack über alle Ebenen hinweg ebenfalls echtzeitfähig sein. Neben der Hardware am unteren Ende des Stacks muss auch das Betriebssystem des Kommunikationsknotens deterministisch sein. Zeitkritische Aufgaben werden durch ihre zeitlichen Beschränkungen definiert, z. B. durch ihre Frist und ihren Ausführungszeitraum. Um die Aufgaben entsprechend ihren Anforderungen zu planen, ist ein Linux-Betriebsystem mit gepatchtem preemptiven Kernel erforderlich. Zusätzlich muss TSN-fähige Peripherie vorhanden und konfiguriert sein. Für OPC UA Datenmodellierung ist der open62541 Stack erforderlich.

Fazit

Eine vielversprechende Lösung für die offene Echtzeitkommunikation in der Automatisierungsbranche ist die Verwendung von OPC UA in Kombination mit TSN. Zur Bewertung der Performance wurden die Zykluszeiten und Ende-zu-Ende-Latenzen für zeitkritische Kommunikation auf den unteren Ebenen der Automatisierungspyramide evaluiert. Die Kombination der Verwendung von OPC UA PubSub in Kombination mit TSN kann sogar zu einer besseren Leistung führen als der Stand der Technik bei Ethernet-basierten Feldbussen. Die Konfiguration solcher Systeme ist heutzutage komplex, weil Wissen und Erfahrung in verschiedenen Domänen, Betriebssystemen, Netzwerktechnik, Datenmodellierung, TSN und Switchkonfiguration, Verschlüsselung, sowie OPC UA notwendig ist. Während für Feldbussysteme Konfiguratoren existieren, muss man OPC UA PubSub Kommunikationsknoten derzeit manuell konfigurieren.

ISW Institut für Steuerungstechnik der

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