Echtzeitfähigkeit durch OPC UA und TSN

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1 Echtzeitfähigkeit durch OPC UA und TSN Heinrich Munz, KUKA AG Lead Architect Industry 4.0 Stellvertretender Sprecher Industrie 4.0 Plattform AG1 (Referenzarchitektur & Standards) Page: 1

2 Was ist TSN (Time Sensitive Networking)? Ziel von TSN ist es, Standard Ethernet-Netzwerken deterministische Echtzeiteigenschaften zu verleihen Die TSN Task Group ist eine Arbeitsgruppe in der IEEE Standardisierungsgemeinde (Ethernet) TSN hieß früher AVB (Audio/Video-Bridging) und wurde wegen neuer Anwendungsgebiete in TSN umbenannt Bisher: Störungsfreie Audio- und Videoübertragung in Standard-Ethernet Netzwerken (z.b. Show-Theater) In Car (Backbone für echtzeitfähige Steuerung und Entertainment) Eigener Physical Layer BroadR-Reach Full Duplex, Single Twisted Pair Industrielle Automatisierung Gebäudeautomatisierung TSN wird nicht nur von einer Firma mit einem unterstützenden Verein getrieben, sondern ist (bzw. wird) ein IEEE Standard Page: 2

3 Was ist TSN (Time Sensitive Networking)? TSN ist nicht nur eine einzelne Technologie, sondern besteht aus mehreren Sub-Standards für unterschiedliche domänen-spezifische Anforderungen Die industrielle Automatisierung braucht (mit hoher Prio) nur drei davon: 1. Zeitsynchronisation (IEEE AS) Früher IEEE Time Triggered Scheduling (Qbv) 3. Central, automized configuration (Qcc) Source: General Electric Page: 3

4 Warum TSN in der industriellen Automatisierung? Die Automatisierungspyramide verschwindet bei Industrie 4.0 bezüglich der Kommunikation Die Echtzeitkommunikation muss somit ebenfalls ins flache Netzwerk echtzeitkritisch IEEE Time Sensitive Networks Source: VDI/VDE Broschüre Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation Page: 4

5 Welche Rolle spielen die Halbleiterhersteller bei TSN? Damit die deterministischen Reaktionszeiten möglichst klein und die Güte z.b. der Clock- Synchronisation möglichst hoch sind, bedarf es für einige der TSN-Technologien Unterstützung in der Ethernet Hardware Ethernet-Controller der Endteilnehmer Chips der Ethernet-Infrastruktur wie z.b. in Switches Texas Instruments hat einen embedded Prozessor mit TSN und integriertem 3-Port Switch für industrietaugliches Daisy Chaining vorgestellt Page: 5

6 Wo sieht Intel TSN im Vergleich zu einigen herkömmlichen Feldbussen bzgl. Zykluszeiten? Page: 6

7 Reicht TSN alleine aus? Nein! TSN definiert nur die Echtzeitfähigkeit von Ethernet auf dem Layer 2 des ISO/OSI 7- Schichtenmodells Nach dem Aufkommen der Ethernet-basierten Feldbusse ab ca (Layer 1) findet jetzt mit TSN die Einigung auf den nächsten Layer (2) statt Aber: Wir können nicht nochmal jeweils 15 Jahre auf die Einigung auf die nächsten Layer warten! Wahre, herstellerübergreifende Interoperabilität (auch zwischen z.b. Siemens, Rockwell, Mitsubishi, etc.) gibt es nur, wenn sich alle Teilnehmer auf die Verwendung des gesamten Kommunikations-Stacks einigen (Schichten 1 bis 7 plus semantische Servicebeschreibung) Die AG1 der Industrie 4.0 Plattform und ein White Paper des ZVEI empfehlen OPC UA mit semantischen Servicebeschreibungen + Pub/Sub +TSN Page: 7

8 Warum TSN in der industriellen Automatisierung? Fieldbus Kann 1) /will 2) /wird 3) OPC UA mit TSN herkömmliche Feldbusse ersetzen? Zu 1) : Manche Ja, manche Nein Zu 2) : Nein Zu 3) : Das wird der Markt entscheiden Das Ziel ist eine echtzeitfähige Peer to Peer Kommunikation Warum bedarf es einer Verbesserung der heutigen Peer to Peer Kommunikation? (Controller zu Controller, Edge Cloud zu Controller) Controllers (PLCs, PAC, RC, CNC, Process Controllers ) Real-time Peer to Peer via Bits on Fieldbuses 1) 2) Today s usage of field busses: 1. I/O Communication 2. M2M Peer to Peer Real time critical with D <1ms Page: 8

9 Warum TSN in der industriellen Automatisierung? Stop Fieldbus! Deterministisch echtzeitfähige Peer to Peer Kommunikation von Steuerungen Service Orientierung (SOA) Services statt Bits und Bytes Wirkliche Interoperabilität über alle Hersteller hinweg Gerätehersteller müssen nicht mehr >15 unterschiedliche Feldbus- Standards pflegen, um ihre Geräte anzuschalten (IEC 61158) 1) Controllers (PLCs, PAC, RC, CNC, Process Controllers ) Real-time Peer to Peer with services! Pub/Sub with Real-time (D 1ms ) on TSN Future usage of field busses: I/O Communication only Real time critical with D <1ms Page: 9

10 Was sagen die Feldbusorganisationen zu OPC UA? Viele Feldbusorganisationen versuchen sich mit OPC UA zu arrangieren ( If you can t beat them, join them ) Aus Feldbus-Profilen werden OPC UA Companion Standards Page: 10

11 Was sagen die Feldbusorganisationen zu OPC UA? Die EtherCAT Technology Group (ETG) hat das (fast) perfekte Architekturbild zur Koexistenz von OPC UA und Feldbussen veröffentlicht Allerdings haben sie TSN over over TSN und das bevorzugte Cloud Transport-Protokoll für OPC UA, nämlich AMPQ nicht erwähnt Page: 11

12 Einordnung von OPC UA vs. Feldbusse in RAMI4.0 Web Service centric (SOA) Service centric (SOA) Data and Service Description in the OPC UA Information Model mit TSN Legacy Field Busses, domain specific protocols, DDS, etc. Things Page: 12

13 OPC UA auch in der Cloud Die wertvollen Informationsmodelle in den OPC UA Companion Specifications sollen auch für die Weiterverarbeitung der Daten und Services erhalten bleiben Die OPC UA Server in den Devices sollen direkt bzw. indirekt über Edge-Gateway auch aus der Cloud heraus ansprechbar sein Das OPC UA Client/Server-Prinzip geht direkt nicht durch Firewalls Der Client von außen kann den Server hinter Firewalls nicht erreichen Es ist ein Transport-Protokoll für OPC UA durch Firewalls und durch die Clouds notwendig AMQP tunnelt OPC UA durch Firewalls Dadurch werden zwei Patterns zur Anwendung von OPC UA in der Cloud möglich 1. Client/Server wie auf dem Plant Floor 2. Publish/Subscribe (one to many) Die OPC UA Pub/Sub Arbeitsgruppe arbeitet bereits an der Spezifikation (Release ca. Mai 2017) Page: 13

14 Wie kommen wir zu standardisierten semantischen Servicebeschreibungen? Durch den VDMA! Der VDMA hat heute den Leitfaden OPC UA vorgestellt Die Fachbereichsmitglieder sind aufgerufen, domänenspezifische Companion Specifications in VDMA-AGs durch ihre Mitglieder zu erstellen OPC UA Page: 14

15 Folgende VDMA-Fachverbände sind bereits aktiv Call for Action: Wenn Ihre Firma Mitglied im VDMA ist und sie Interesse an der Mitarbeit an einer für ihre Gerätetypen passenden Companion Specification haben, wenden Sie sich bitte an ihren VDMA-Fachverband H. Dr. Mosch vom VDMA H. Hoppe von der OPC Foundation H. Munz, KUKA Page: 15

16 Call for Action, Save the Dates Kick Off: OPC UA Companion Specifications Industrial Robots VDMA, Frankfurt a.m. Kick Off: OPC UA Companion Specifications for IAS Division (Integrated Assembly Solutions), VDMA, Frankfurt a.m. Converting CANopen Profiles into OPC UA Companion Specifications starting with DS-402 (Drive Profile) and DS-401 (I/O Profile) CAN in Automation, Nürnberg More to come in Ihrem Fachbereich Reden Sie mit ihrem Fachbereichsleiter Page: 16

17 Call for Action, Save the Dates Ziel: Gründung Industriearbeitskreis TSN for Automation Kick Off ISW Stuttgart Page: 17

18 Welche Firmen arbeiten bereits wo an OPC UA over TSN? TSN Testbed in Austin, TX im Rahmen des amerikanischen Industrial Internet Consortium (IIC) Demnächst auch dupliziert im deutschen Labs Network Industrie 4.0 (LNI4.0) Firmenkonsortium, welches sich zum Einsatz von OPC UA over TSN committet hat Page: 18

19 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Page: 19