OPC UA bildet durch seinen Adressraum eine universelle Anwendungsschnittstelle, wohingegen TSN Standard-Ethernet um Echtzeiteigenschaften ergänzt und Datenübertragungsraten im GBit-Bereich zulässt. Es liegt deshalb nahe, die beiden Techniken mittels eines Publisher/Subscriber-Modells (Pub/Sub) zu verbinden, aber für die Industriekommunikation 4.0 gibt es auch andere Möglichkeiten.
IEN D-A-CH: Welche Aufgaben und Funktionen erfüllt OPC UA, welche TSN in OPC-UA-/TSN-Systemen?
Goller: Um die Rolle von OPC UA zu klären, möchte ich Stefan Hoppe, Vice President der OPC Foundation, zitieren: »OPC UA is not a protocol, it is an information model«. Er will damit sagen, dass OPC UA eben zuallererst ein Informationsmodell ist. Sicher gibt es auch ein Protokoll, um Clients und Servers zu verbinden, aber die Stärke von OPC UA ist der Adressraum, und damit stellt es eine universelle Applikationsschnittstelle dar. Die Flexibilität von OPC UA lässt es zu, bestehende Anwenderschnittstellen - die „Profile“ der Industrial-Ethernet-Protokolle - in OPC UA abzubilden. Daher gibt es mittlerweile für fast jedes Profil eines Industrial-Ethernet-Protokolls auch eine Abbildung auf den OPC UA- Adressraum oder es wird an einer solchen Abbildung gearbeitet. OPC UA selbst gibt solche Profile - „IO“, „Drive“, „Safety“ etc. - bisher nicht vor, was sich aber wohl ändern wird. Im Rahmen von Industrie 4.0 wird OPC UA als „lingua franca“ gesehen, mit entsprechend großem Potenzial für die Zukunft.
TSN dagegen ist eine Erweiterung von IEE-802.3-Ethernet um eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten mit dem Ziel, Ethernet deterministischer und echtzeitfähiger zu machen. Weil in Zukunft TSN-fähige Hardware von vielen Herstellern erwartet wird, lässt es sich als eine Demokratisierung der Echtzeitkommunikation betrachten. Fast jedes Protokoll könnte mit TSN Echtzeiteigenschaften bekommen.
Auf dieser Basis wurde eine Arbeitsgruppe Pub/Sub gegründet, die ein echtzeitfähiges Transportprotokoll für OPC UA mit Hilfe von TSN spezifizieren will. Damit würde OPC UA echtzeitfähig und potentiell eine Alternative zu Industrial-Ethernet-Protokollen. Für die Ebene oberhalb der klassischen SPS wäre es damit sehr willkommen, könnten doch Steuerungen verschiedener Hersteller mit OPC UA in Echtzeit interagieren. TSN kann OPC UA auch eine garantierte Bandbreite im Netz geben und damit eine höhere Robustheit als derzeit möglich.
Allerdings wäre Pub/Sub nicht die einzige Möglichkeit, OPC UA und Echtzeit zu verheiraten. Ein weiteres Beispiel sind die Bestrebungen, für DDS, ein weit verbreitetes und erprobtes Echtzeitprotokoll, eine OPC UA-Abbildung zu entwickeln. Damit wäre es möglich, verteilte Systeme mit DDS/ TSN zu betreiben und OPC UA als Anwendungsschnittstelle zu benutzen.
IEN D-A-CH: Welche Aufgaben und Funktionen verbleiben in Zukunft für die klassischen Industrial-Ethernet-Systeme und Feldbusse?
Goller: Die klassischen Industrial-Ethernet-Protokolle werden nicht verschwinden. Manche werden in anderer Form weiter existieren (als Profile oder Profil-Familie in OPC UA), andere werden in Zukunft selbst auf TSN aufsetzen. Klassische Feldbusse werden von Ethernet verdrängt werden.
IEN D-A-CH: Welche Aufgaben und Funktionen könnten die klassischen Industrial-Ethernet-Systeme in OPC-UA-/TSN-Systemen oberhalb von OPC UA / TSN auf der Profilebene erfüllen?
Goller: Um es nochmal ganz klar zu sagen: TSN bedingt nicht automatisch OPC UA. Es sind zwei völlig unabhängige Techniken. OPC UA kann bei der Vernetzung von Steuerungen (Controller to Controller) eine große Rolle spielen. In diesem Bereich ist Pub/Sub mit TSN von Vorteil. Ob es darüber hinaus auch auf der Feldebene eine Rolle spielen kann, muss sich erst beweisen. Denn OPC UA ist kein „kleiner Stack“, jedenfalls nicht, wenn man alle Vorteile nutzen will.
IEN D-A-CH: Wie reagieren die Nutzerorganisationen der klassischen Industrial-Ethernet-Systeme auf die „Herausforderung“ TSN?
Goller: Ich möchte sagen: Auf die „Chance“ TSN reagieren alle Nutzerorganisationen. TSN verspricht mehr Hardware-Auswahl, besonders bei Infrastrukturkomponenten, sowie einen Pfad zu höheren Geschwindigkeiten, also 1 GBit/s und darüber. Letztlich werden wir Profinet@TSN ebenso sehen wie EtherNet/IP über TSN und OPC UA Pub/Sub.
IEN D-A-CH: Wird TSN zu Echtzeit mit Zykluszeiten bis hinunter zu 31,25 μs - und in Zukunft eventuell noch kürzer - fähig sein?
Goller: Um unterhalb von 250 μs Zykluszeit bei 100 MBit/s zu gelangen, haben die etablierten Industrial-Ethernet-Protokolle erhebliche Modifikationen an Standard-Ethernet durchführen müssen. Die IEE sieht Sonderwege wie die Summenrahmenprotokolle, auf denen beispielsweise EtherCAT oder auch Sercos beruhen, nur ungern. Es ist nicht wahrscheinlich, dass solche Erweiterungen in die TSN-Norm einfließen. Zur Frage: TSN wird auf 100 MBit/s bei 250 μs die von der IEE definierte Grenze erreichen – jedenfalls solange echter paralleler Betrieb mit Standard-TCP/IP-Anwendungen funktionieren soll. Für kürzere Zykluszeiten steht dann aber der Weg zu 1 GBit/s offen.
IEN D-A-CH: Wie ist das Thema Safety bei TSN gelöst bzw. wie wird es voraussichtlich gelöst sein?
Goller: Safety nutzt normalerweise das Black-Channel-Konzept. Dabei wird Safety oberhalb der eigentlichen Kommunikationsprotokolle definiert. Allerdings ist bei Berechnungen zur Safety die Zuverlässigkeit des Übertragungskanals eine Größe. TSN wird nicht weniger zuverlässig als heutige Systeme sein.
IEN D-A-CH: Das OPC UA-Protokoll lässt sich auch über die klassischen Industrial-Ethernet-Systeme übertragen, etwa durch Timeslots oder per Tunneling. Wozu braucht es dann überhaupt TSN?
Goller: TSN ergänzt Standard-Ethernet um deterministische Echtzeit. In vielen Fällen werden unterschiedliche Protokolle auf ein und demselben Kabel koexistieren. TSN ermöglicht das robuste Nebeneinander von Echtzeit und Best-Effort-TCP/IP auf einem Kabel.
IEN D-A-CH: Welche Vorteile hat TSN dann überhaupt gegenüber den klassischen Industrial-Ethernet-Systemen?
Goller: TSN ist kein neues Industrial-Ethernet-Protokoll. Es ist eine vereinheitlichte Ergänzung von Standard-Ethernet um Echtzeiteigenschaften. Die Vorteile wurden bereits dargelegt – Hardware-Verfügbarkeit,vereinheitlichte Infrastruktur und geschwindigkeitsunabhängige Definition.
IEN D-A-CH: Inwieweit spielen hier Kosten eine Rolle?
Goller: Skalierbare, standardisierte Hardware und Infrastruktur versprechen Kostensenkungen ebenso wie vereinheitlichtes Know-how.
IEN D-A-CH: Inwieweit spielt hier der Wunsch, Übertragungsraten von 1 GBit/s und höher umzusetzen, eine Rolle?
Goller: 1 GBit/s (und darüber hinaus) ist eine logische Weiterentwicklung der heutigen Vernetzung. Wird es 100 MBit/s verdrängen? Nicht überall, aber 1 GBit/s ermöglicht neue Applikationen und die Überwindung heutiger Performance-Engpässe bei datenintensiven Applikationen.
IEN D-A-CH: Vielen Dank für das Gespräch, Herr Goller.
