OPC UA Informationsmodell, Profinet und TSN

Für die Profibus Nutzerorganisation ist das Technologie-Puzzle für eine offene Kommunikation fertig: OPC UA Informationsmodell, Profinet und TSN als künftiger Layer 2. (Bild: Profibus Nutzerorganisation)

Für die Profibus Nutzerorganisation ist das Technologie-Puzzle für eine offene Kommunikation fertig: OPC UA Informationsmodell, Profinet und TSN als künftiger Layer 2. Erst das Zusammenspiel dieser Technologien meistert die heutigen und künftigen Herausforderungen aus Sicht der Automatisierungstechnik: Wie Daten aus dem Feld in die IT bringen, beziehungsweise wie aus dem Messwert einer Komponente im Feld letztendlich eine für das Unternehmen nützliche Information machen? Dabei muss die Information schnell und einfach zur Verfügung stehen und sie muss einen Mehrwert für die Produktion darstellen. Mit anderen Worten: Unternehmen wollen sich auf die Auswertung konzentrieren und nicht auf den Weg, wie die Informationen zu ihnen gelangen. Der künftige Layer 2 von Profinet schafft hierfür die Grundlage: Time Sensitive Networking (TSN) wurde dazu in der Profinet-Spezifikation V2.4 inte­griert. Damit können sowohl Hersteller als auch Anwender die Vorteile von TSN, etwa eine zukunftssichere IEEE-basierte Ethernet-Technik mit höherer Bandbreite, Deterministik, flexibler Netzwerkkonfiguration und großer Chipvielfalt, inter-operabel umsetzen.

Gleichzeitig lassen sich in einem Profinet-Netzwerk weiterhin an jeder beliebigen Stelle weitere Ethernet-Geräte installieren. Durch die Offenheit von Profinet können damit auch Sensoren oder Geräte mit OPC-UA-Interface hinzugefügt werden, die ihre Werte direkt an entsprechende Cloud-Dienste oder Edge-Gateways schicken ‒ ohne die Automatisierungs­lösung mühsam umbauen zu müssen.

TSN – diese Bausteine fehlen noch

Allerdings sind erst drei Bestandteile für den Betrieb eines TSN-Netzwerks fertig: IEEE 802.1Q TAS, IEEE802.3 Preemption und IEEE 802.1AS Time&Takt Synchronisation. Diese Specs regeln, wie Datenstreams entsprechend ihrer Priorität und Latenzanforderung weitergeleitet werden. Was aber noch nicht definiert ist, ist letztendlich der Aufbau eines Streams. Das betrifft Themen wie die Konfiguration der Netzwerke (zentral und/oder dezentral) und wie ein Stream im Netz etabliert wird. Diese Aspekte müssen die Experten erst noch in der IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation regeln.

Wie B&R auf die Spezifikationslücke bei TSN reagiert, lesen Sie auf der nächsten Seite.

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OPC UA TSN in den Maschinen: B&R ermöglicht mit TSN-fähigen Steuerungskomponenten, einem eigenen Switch und der automatischen Netzwerkkonfiguration den Aufbau TSN-basierter Automatisierungslösungen. B&R

Komplette TSN-Infrastruktur trotzdem realisiert

Diese Spezifikationslücke hält die Firma B&R aber nicht davon ab, die Weichen bereits in Richtung OPC UA TSN zu stellen: Als einer der ersten Hersteller komplettiert die Automatisierungs-Speerspitze des ABB-Konzerns die Infrastruktur ihres Automatisierungssystems für die Kommunikation mit OPC UA over TSN. Die Bestandteile sind eine neue Generation X20-Steuerungen, Buscontroller, Industrie- und Panel-PCs sowie ein TSN-Maschinenswitch. Die Konfiguration der OPC UA over TSN-Geräte und des Netzwerks sowie die Vergabe von Zugriffsrechten sind in die Engineeringssoftware Automation Studio integriert. Durch diesen zentralen Ansatz läuft die Konfiguration automatisch und der Applikationsaufwand für modulare Maschinen wird durch vorgefertigte Softwarebausteine niedrig gehalten. Geräte unterschiedlicher Hersteller, zum Beispiel Antrieb und Steuerung, lassen sich so ohne zusätzlichen Aufwand miteinander verbinden. Unabdingbar für die Strukturierung solcher Netzwerke sind Switches. Primär aus Kostengründen, aber auch um die automatische Netzwerkkonfiguration im Automation Studio realisieren zu können, hat B&R einen eigenen Switch entwickelt. Der Switch bietet vier TSN-Ports mit Echtzeitfähigkeit sowie einen Standard-Ethernet-Port. Um verzweigte Echtzeit-Netzwerke zu realisieren, können die Switche kas­kadiert werden. Auch nicht TSN-fähige Teilnehmer können darüber in das Netzwerk eingebunden werden.

ASi zur Daten-Pipeline aufgebohrt

Für frischen Wind in der industriellen Kommunikation wird auch ASi-5 sorgen. Die mit ASi-3-Netzwerken einbaukompatible Generation empfiehlt sich durch seine deutlich höhere Bandbreite, kürzere Zykluszeiten und die Integration von IO-Link als Zubringer von weiteren Informationen, die Sensoren und Aktoren bereitstellen. Trotz dieser zusätzlichen Features wird das Bewährte aber nicht über Bord geworfen, konkret: ASi-5 und ASi-3-Teilnehmer kommunizieren über die gleiche Leitung. Damit das gelingt ist ein hoher technischer Aufwand notwendig: Im Gegensatz zu ASi-3 mit seinen 167 kHz nutzt ASi-5 den Frequenzbereich zwischen 2 und 8 MHz. Dadurch lassen sich ASi-5- und ASi-3-Applikationen parallel auf einer Leitung betreiben, wodurch die von Anfang an angestrebte Kompatibilität zu allen bisherigen ASi-Generationen sichergestellt ist. Anwender können daher ihre bisherigen ASi-3-Installationen nach Bedarf um ASi-5-Module und deren zusätzliche Funktionen erweitern.

Die Datenrate von ASi-5 ist darauf ausgelegt, komplexe Steuerungsprozesse in industriellen Anwendungen zu ermöglichen. Zum einen lassen sich mit bis zu 384 Ein- und 384 Ausgangsbits deutlich mehr Signale kosteneffizient und schnell an einem Ort einsammeln und in 1,27 ms Zykluszeit übertragen. Zum anderen können intelligente Feldgeräte – beispielsweise IO-Link Sensoren/Aktoren – noch einfacher integriert werden. Denn genau dafür haben die Entwickler von ASi-5 frühzeitig passende Profile spezifiziert, Sie erlauben es, bis zu 32 Byte E/A-Daten zyklisch zu übertragen. Praktisch umsetzen lässt sich das auch schon – zum Beispiel mit den ASi-5/ASi-3 Gateways und den ASi-5 Slaves mit IO-Link-Master von Bihl+Wiedemann.

So funktioniert ASi-5

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Damit sich ASi-5 einbau-kompatibel auf der gleichen Leitung mit wesentlich größerer Bandbreite bei gleicher Robustheit zusammen mit ASi-3 betreiben lässt, wurden höhere Frequenzen und umfangreiche Maßnahmen spezifiziert. Renesas

Um die Kompatibilität zu ASi-3 auf dem gleichen Kabel zu gewährleisten, werden ASi-5-Daten in einem Frequenzspektrum oberhalb des ASi-3-Kanals übertragen. ASi-3 nutzt ein Zeitmultiplex-Verfahren, um innerhalb des Buszyklus von 5 ms die Daten von maximal 31 Slaves nacheinander auszutauschen (62 Slaves mit A/B-Adressierung).

ASi-5-Daten werden zwischen 2 und 8 MHz moduliert. Hierbei kommt ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren zum Einsatz. Das bedeutet, dass das Frequenzband in viele Teilbereiche unterteilt ist, über die separate Datenströme übermittelt werden. Im regulären Betrieb stehen mindestens 136 dieser Kanäle zur Verfügung. In jedem dieser Kanäle kommt ein Zeitmultiplex-Verfahren zum Einsatz, um innerhalb von 1,2 ms zuerst Daten vom Master zu den Slaves und danach Daten von den Slaves zum Master zu transportieren.

Zuerst sendet der Master eine Trainings­sequenz. Deren Sinn ist eine Synchronisation mit den Slaves. Durch Autokorrelations-verfahren lässt sich ein Signal extrahieren, welches es erlaubt, die Slaves auf 10 ns genau mit dem Master zu synchronisieren. Außerdem wird anhand der Trainings­sequenz die Dämpfung pro Kanal zwischen Master und Slave abgeschätzt. Somit kann jeder Slave die Eingangsempfindlichkeit einstellen. Durch eine rezi­proke Beziehung zwischen Empfangs- und Sendepfad lässt sich die optimale Verstärkung des Sendepfads ableiten.

Unerreichte Störsicherheit – die Maßnahmen
8 Bits werden zur Absicherung des Frames benutzt, so dass sich effektiv 20 Bit bidirektional pro Zyklus und Datenkanal übertragen lassen. Jede Prozessdatenübertragung erfolgt auf drei Kanälen gleichzeitig (redundant). Der Empfänger muss auf mindestens zwei Kanälen die gleichen Daten empfangen, um die Prozessdaten als gültig anzuerkennen (2oo3-Absicherung). Eine zusätzliche Sicherung besteht darin, dass jedes Symbol zweimal hintereinander gesendet wird, was die Übertragung zusätzlich gegen kurzzeitige elektromagnetische Störer schützt. In Summe kommen also drei verschiedene Verfahren zum Einsatz, um die Datenübertragung gegen externe Störungen abzusichern. Dies führt zu einer stabilen Datenübertragung, selbst unter ungünstigen Übertragungsverhältnissen.

Anwendungsabhängige Buskonfiguration
In einem 1,2 ms Zyklus lassen sich bis zu 24 logische Übertragungskanäle behandeln; bis zu 24 Slaves ansprechen. Sind mehr Slaves in einem ASi-5-Strang, können sich diese die gleichen Übertragungsfrequenzen mittels Zeitmultiplexverfahren teilen. Dementsprechend ändern sich dann die Zykluszeiten auf 2,5 ms (48 Slaves), 3,8 ms (72) oder 5 ms bei 96 Slaves. Sind mehr als 16-bit E/A-Daten pro Zyklus zu übertragen, lässt sich dies mittels Kanalbündelung und Multiplexing erreichen. Die Kanalbündelung verbindet mehrere Kanäle in einem Subzyklus. Beim Multiplexingverfahren werden mehrere Kanäle über mehrere Subzyklen hinweg verbunden. So lassen sich bis zu 32 Byte in einem Zyklus austauschen.

Neben zyklischen Daten gibt es einen asynchronen Kanal (AMC: Asynchronous Management Channel). Dieser koppelt vier Trägerfrequenzen und ist 5-fach redundant ausgelegt. Somit belegt der AMC 20 Trägerfrequenzen (4×5). Die initiale Aktivierung der Slaves erfolgt über den AMC. Zusätzlich ermöglicht der AMC viele neue Mechanismen wie Diagnose und Parametrisierung.

Was sich bei 5G tut, steht auf der folgenden Seite.

Gebühren für die Nutzung der lokalen 5G-Frequenzen sind festgelegt

Das Warten hat ein Ende: Die Bundesnetzagentur hat die Gebühren für die Nutzung der lokalen 5G-Frequenzen festgelegt. Adobe Stock

Was koschts, was bringts? Die 5G-Gebühren

Bandbreite und Teilnehmer in bisher ungeahnter Menge verspricht auch 5G – und das ganz ohne teure Leitungstrassen. Daher stehen viele Betreiber und Anbieter längst in den Startlöchern, um die verschiedensten Use-Cases mit lokalen 5G-Netzen zu realisieren. Nach langem Warten hat die Bundesnetzagentur inzwischen die Gebühren für die lokale Nutzung der 5G-Frequenzen im Bereich von 3,7 bis 3,8 GHz für lokale Anwendungen festgelegt. In diesem Frequenzband sollen kleine und mittelständische Unternehmen sowie Landwirte ihr eigenes 5G-Netz betreiben. Die Idee ist, dass diese Betriebe so unabhängiger von Telekommunikationsdienstleistern werden. Kostenbestimmende Faktoren für die jährliche Abgabe sind Bandbreite und Laufzeit sowie die Fläche des Zuteilungsgebiets.

Kosten = Sockel + Bandbreite x Laufzeit x Fläche

Für Unternehmen, die sogenannte Campus-Netze in ihren Produktionsstätten nutzen wollen errechnet sich die Gebühr nach folgender Formel:

  • Kosten = 1 000 € + B ∙ t ∙ 5 (6a1 + a2)

Dabei steht B für die zugeteilte Bandbreite, t für die Laufzeit der Zuteilung sowie a für die Fläche des Zuteilungsgebietes in km² (differenziert nach a1; Siedlungs- und Verkehrsflächen; a2 andere Flächen). Der Grundbetrag von 1 000 Euro sei laut Bundesnetzagengur so gewählt worden, um Geschäftsmodelle von Start-Ups, KMUs oder in der Landwirtschaft nicht zu verhindern. Die Zuteilungsdauer dient als Anreiz, Frequenzen nur für die Dauer einer Nutzung zu beantragen. Allerdings fehlen auch hier noch wichtige Technologie-Bausteine: Die Anforderungen industrieller Use Cases werden mit dem Release 16 der 5G-Standards spezifiziert. Dieser Release ist für 2020 angekündigt.

(sk)

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