Ein Netzwerkkabel für die komplette Kommunikation

Maschinenbauer und produzierende Industrie stehen vor einer gemeinsamen Herausforderung: Die steigende Komplexität der Produktion macht ihnen immer mehr zu schaffen. Um mit den einhergehenden Herausforderungen zurecht zu kommen, bedarf es einer neuen Generation an Automatisierungslösungen.

Die industrielle Produktion wandelt sich. Von reinen Massenprodukten geht der Trend hin zu individualisierten Produkten. Die heutigen Produktionslinien, die oft nur auf ein einziges Produkt ausgelegt sind, können diesen Anforderungen nur schwer nachkommen. Um kleine Losgrößen wirtschaftlich zu produzieren, braucht es kleinere und modulare Fertigungseinheiten, die jederzeit neu konfiguriert werden können – schnell und ohne großen Aufwand.

Selbst Fertigungsschritte in kleinen modularen Fertigungseinheiten werden aufwendiger, deshalb müssen zum Beispiel mehr Achsen integriert und zahlreiche unterschiedliche Komponenten verbaut werden. Das heißt: Die Maschinen werden komplexer und brauchen dadurch mehr Performance. Zudem stammen die einzelnen Komponenten von unterschiedlichen Herstellern und müssen dennoch miteinander kommunizieren und Daten austauschen können.

Die Basis um diese Herausforderungen bewältigen zu können und eine flexible Produktion real werden zu lassen, ist ein herstellerübergreifender Netzwerkstandard: „Nur mit einem einheitlichen echtzeitfähigen Netzwerk, das interoperabel ist und die Standards der IT mit den Standards der Industrie vereinheitlicht, ist der Sprung hin zu Innovationen für die Produktion von kleinen Losgrößen für Maschinenbauer erreichbar“, sagt Konstantin Klein, Produktmanager für Industrial IoT Network Solutions bei B&R.

Eine Voraussetzung für ein einheitliches Netzwerk ist ein offenes und echtzeitfähiges Kommunikationsprotokoll. „Die Zeiten, in denen sich Maschinenbauer auf ein proprietäres Kommunikationsprotokoll festlegen müssen, sind vorbei“, sagt Klein. Mit einem offenen Standard wird aus der Vielzahl an Protokollen ein einziges mit nur einer Schnittstelle. Diese Schnittstelle tauscht standardisierte Daten mit den Netzwerkteilnehmern aus. Die Entwicklung wird maßgeblich vereinfacht, da es nur mehr eine Schnittstelle braucht. Zudem werden Beschreibungen von Systemen, Geräten und Variablen standardisiert und vereinheitlicht. Durch diese Standards werden die Geräte auch informationstechnisch beschrieben.

Führende Hersteller von Automatisierungs- und Informationstechnik setzen hierbei auf die herstellerunabhängige Kommunikationslösung OPC UA over TSN. Bisher musste der Maschinenbauer eine Vielzahl an Schnittstellen aufwendig definieren und alle Systeminformationen einarbeiten. Mit OPC UA over TSN entfällt dieser Aufwand. Die Kommunikationslösung überträgt im Gegensatz zu anderen Protokollen nicht nur einzelne Daten, sondern Informationen. Diese werden ohne weitere Erklärung von jedem Teilnehmer im Netzwerk verstanden. Die Fehleranfälligkeit sinkt und flexible Maschinenkonzepte lassen sich viel einfacher umsetzen.

Mit OPC UA over TSN hat jedes Gerät sein eigenes Informationsmodell, in dem alle relevanten Informationen gespeichert sind. Dadurch kann zum Beispiel jeder beliebige Antrieb – egal von welchem Hersteller und ohne großen Zeitaufwand – in jede beliebige Maschine eingebunden werden. So reduziert sich unter anderem der Aufwand beim Tausch eines defekten Geräts maßgeblich.

Eine Schnittstelle und eine einheitliche Sprache für unterschiedliche Geräte ist jedoch nur ein Teil der Gesamtlösung: Zykluszeiten und Bandbreiten spielen eine genauso wichtige Rolle. Zeitkritische Anwendungen, wie die Synchronisierung eines Roboters mit einem intelligenten Track-System, erfordern Zykluszeiten bis in den Mikrosekundenbereich. OPC UA over TSN hat 18x mehr Performance im Vergleich zu anderen Protokollen. „OPC UA over TSN bietet genügend Performance, um sämtliche Anwendungen von heute und morgen zu lösen“, betont Klein.

Um diesen Performance-Sprung zu ermöglichen, wurde der Ethernet-Standard, auf dem die Kommunikationslösung basiert, um Time Sensitive Networking (TSN) erweitert. „Die Erweiterung um TSN garantiert die deterministische Übertragung von Daten in großen konvergenten Netzwerken. Die alte Trennung von Maschinen- und IT-Netzwerken löst sich damit auf“ sagt Klein. Schnelle zentrale Antriebskonzepte lassen sich mit OPC UA over TSN genauso lösen, wie intelligente dezentrale Architekturen. Damit übertrifft OPC UA over TSN alle anderen gängigen Protokolle. Der Durchsatz einer Maschine steigt und die Produktqualität wird verbessert.

Der Ethernet-Standard als Basis für OPC-UA-over-TSN-fähige Produkte bietet wesentlich höhere Bandbreiten durch eine Gigabit-Physik. So können Daten aus dem laufenden Betrieb gesammelt und zum Beispiel in die Cloud geschickt werden. „Somit wird die Feldebene mit der Cloud verbunden“, hebt Klein hervor. IoT-Anwendungen wie Condition Monitoring und Systeme zur vorausschauenden Wartung können mit Zustandsdaten der Maschine gefüttert werden und so unter anderem ihre Lebensdauer erhöhen.