Często zadawane pytania na temat standardu OPC UA over TSN

Standard OPC UA over TSN jest obsługiwany przez wszystkich największych dostawców automatyki. Zapewnia niezależną od dostawcy interoperacyjność we wszystkich istotnych przypadkach zastosowań przemysłowych, zarówno dziś, jak i w przyszłości.

OPC UA over TSN umożliwia realizację bezpiecznych, modułowych koncepcji maszyn i elastycznej architektury produkcji w hali produkcyjnej. W efekcie użytkownikom łatwiej jest dostosowywać swoje maszyny i instalacje do potrzeb opłacalnej ekonomicznie produkcji jednostkowej. Standard umożliwia ponadto bezpieczny wgląd w procesy produkcyjne w celu przeprowadzania bieżącej optymalizacji wydajności i konserwacji zapobiegawczej – bez zakłócania pracy maszyn.

Standard OPC UA over TSN jest w stu procentach otwarty, znacznie szybszy i bezpieczny. Pozwala zwiększyć zdolność do innowacji, zmaksymalizować ogólną efektywność sprzętu (OEE), obniżyć całkowity koszt utrzymania (TCO) oraz usprawnić wprowadzanie do eksploatacji i konserwację.

Determinizm sieci TSN umożliwia komunikację między maszynami z wykorzystaniem OPC UA, a w efekcie lepszą synchronizację zainstalowanych w hali produkcyjnej maszyn pochodzących od różnych dostawców. To samo dotyczy komunikacji na poziomie urządzeń w samych maszynach.

Przemysłowy Internet Rzeczy jest zapowiedzią możliwości projektowania wydajnych i efektywnych procesów produkcyjnych, których uruchomienie i utrzymanie jest ponadto tańsze i łatwiejsze. Przemysłowy Internet Rzeczy to również obietnica zyskownej indywidualizacji produktów na skalę masową.

Aby zrealizować te aspiracje, dzisiejsze linie produkcyjne będą musiały zostać przekształcone w elastyczne jednostki produkcyjne, które umożliwią ciągły wgląd w ich wewnętrzne funkcjonowanie. Ten wgląd, w połączeniu z inteligentnymi algorytmami – nawet sztuczną inteligencją – będzie siłą napędową do ciągłej optymalizacji działania i konserwacji zapobiegawczej.

Bez interoperacyjności zapewnianej przez protokół OPC UA over TSN komunikacja musiałaby zostać sztywno zaprogramowana, co niepomiernie zwiększałoby koszty opracowania, eliminując przy tym wszelkie korzyści wynikające z elastyczności. Protokół OPC UA over TSN zapewnia ponadto ciągły wgląd bez zakłócania pracy maszyny.

Aplikacje Przemysłowego Internetu Rzeczy są oparte na danych – informacje są ich siłą napędową. OPC UA over TSN powiększa pulę dostępnych informacji o dane z szerokiego wachlarza czujników, siłowników i innych urządzeń automatyki, rozszerzając semantyczny opis modelu informacyjnego OPC UA aż do najniższego poziomu.

OPC UA zapewnia ustandaryzowany sposób tworzenia danych strukturalnych. Wzbogaca w bezpieczny sposób każdy rodzaj zasobów o opis semantyczny. Sieć TSN jest infrastrukturą – autostradą, po której informacje OPC UA podróżują w sposób deterministyczny.

Aplikacje Przemysłowego Internetu Rzeczy są oparte na danych – informacje są ich siłą napędową. OPC UA over TSN powiększa pulę dostępnych informacji o dane z szerokiego wachlarza czujników, siłowników i innych urządzeń automatyki, rozszerzając semantyczny opis modelu informacyjnego OPC UA aż do najniższego poziomu.

OPC UA zapewnia ustandaryzowany sposób tworzenia danych strukturalnych. Wzbogaca w bezpieczny sposób każdy rodzaj zasobów o opis semantyczny. Sieć TSN jest infrastrukturą – autostradą, po której informacje OPC UA podróżują w sposób deterministyczny.

Model referencyjny OSI opisujący komunikację sieciową wprowadza podział na siedem warstw pojęciowych – od złączy i kabli po interfejs użytkownika.

Do zapewnienia bezproblemowej interoperacyjności w sieci konieczna jest interoperacyjność na wszystkich siedmiu warstwach. OPC UA zapewnia bezpieczną interoperacyjność informacji w warstwach 5-7, umożliwiając bezpieczną komunikację pionową między czujnikiem i chmurą. Interoperacyjność w warstwach 3 i 4 zapewniają standardy IT. Warstwa 1 jest objęta standardem Ethernet.

Ostatni element układanki, sieć TSN (Time Sensitive Networking), umożliwia interoperacyjność w warstwie 2 – warstwie łącza danych. Dzięki temu można wykorzystać OPC UA do precyzyjnych aplikacji w czasie rzeczywistym w konwergentnych sieciach OT/IT o niespotykanej dotąd wydajności.

Standard OPC UA jest opracowywany i standaryzowany przez Fundację OPC. Za standardy TSN odpowiada grupa robocza IEEE 802.1. Aby zapewnić spójne, otwarte podejście do wdrażania OPC UA wraz z TSN i powiązanymi profilami aplikacji, Fundacja OPC uruchomiła nową inicjatywę: Field Level Communications (łączność na poziomie obiektu). Dyrektorem roboczej inicjatywy jest Peter Lutz, który będzie kierował rozwojem inicjatywy i opracowaniem specyfikacji.

Opracowywana technologia zapewni niezależną od dostawcy, kompleksową interoperacyjność urządzeń na poziomie obiektu we wszystkich obszarach automatyki przemysłowej. Integracja urządzeń obiektu i hali produkcyjnej jeszcze bardziej ugruntowuje rolę Fundacji OPC w ustalaniu światowego standardu interoperacyjności przemysłowej. Wysiłki standaryzacyjne na rzecz ujednoliconej funkcjonalności podejmowane obecnie w Fundacji OPC obejmują aplikacje I/O, ruchu i bezpieczeństwa.

Komisja nadzorująca Fundacji OPC na rzecz OPC UA over TSN składa się z 24 wiodących dostawców technologii z branży automatyki, w tym ABB, Beckhoff, Bosch-Rexroth, B&R, Cisco, Hilscher, Hirschmann, Huawei, Intel, Kalycito, KUKA, Mitsubishi Electric, Molex , Omron, Phoenix Contact, Pilz, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, TTTech, Wago i Yokogawa. Coraz więcej firm dołącza do komisji nadzorującej; najnowsi członkowie to Moxa i Murr Elektronik .

Synchronizacja czasowa ma kluczowe znaczenie dla możliwości automatyki przemysłowej, takich jak sterowanie na poziomie urządzenia, sterowanie napędami, systemy wizyjne i sterowanie maszyna-maszyna (kontroler-kontroler). Jednak standardowy Ethernet nie został zaprojektowany jako sieć deterministyczna, dlatego każdy z autorskich systemów sieci przemysłowych wdrożył własne mechanizmy zapewniające deterministyczne zachowanie. TSN poszerza obecnie IEEE 802 Ethernet o komunikację w czasie rzeczywistym, zapewniając ujednolicony standard spełniający wymagania automatyki przemysłowej.

TSN zapewnia również możliwość pracy w sieciach konwergentnych, umożliwiając tej samej sieci zarządzanie zarówno niedeterministyczną komunikacją IT, jak i deterministyczną komunikacją OT, taką jak sterowanie maszyną i bezpieczeństwo. W przyszłości standard TSN będzie nieodłączną właściwością głównych układów Ethernet.

Więcej informacji można znaleźć w Wikipedii i na stronie internetowej IEEE.

Technologia ta jest w stanie obsłużyć ponad 10 000 węzłów sieciowych, skalowalnych od 10 megabitów do 10 gigabitów i więcej. Testy przeprowadzone przez B&R pozwoliły uzyskać czasy cyklu poniżej 50 mikrosekund z odchyleniem sygnału poniżej ±100 nanosekund w sieci 200 zdalnych łączników magistrali I/O o łącznej liczbie 10 000 punktów I/O. Jest to zgodne z twierdzeniem, że OPC UA over TSN jest „18 razy szybsze niż dzisiejsze najszybsze rozwiązanie”.

W konfrontacji z osiągami na takim poziomie autorskie sieci przemysłowe należy uznać za przestarzałe. Protokół OPC UA over TSN umożliwia sprawne sterowanie napędami i przesyłanie z dużą przepustowością danych IT z użyciem jednego kabla, bez wzajemnego zakłócania się.

Szczegółowy raport na temat wdrażania OPC UA over TSN jest dostępny na stronie internetowej B&R.

Standard OPC UA został zaprojektowany na potrzeby komunikacji z systemami informatycznymi. OPC UA over TSN umożliwia konwergencję sieci OT i IT bez zakłócania pracy maszyn. Dzieje się tak za sprawą sieci TSN oraz wykorzystania znanych informatykom mechanizmów bezpieczeństwa, w tym uwierzytelniania i autoryzacji użytkowników, szyfrowania i obsługi certyfikatów.

Główne zalety to otwartość, semantyka, bezpieczeństwo i wydajność. Aspekty dotyczące wydajności obejmują wysoką przepustowość i gwarantowaną komunikację w czasie rzeczywistym.

Bez nowego standardu konstruktor maszyn musiałby zapewnić obsługę każdej głównej sieci przemysłowej za pomocą sieci TSN, natomiast połączenie OPC UA z mechanizmami TSN do komunikacji w czasie rzeczywistym na poziomie obiektu zapewnia sieć niezależną od dostawcy i protokół obsługujący cały system – od czujnika po chmurę.

Użytkownik końcowy może być zainteresowany na przykład sieciami konwergencyjnymi i możliwym wykorzystaniem OPC UA do połączenia z chmurą za pośrednictwem MQTT. Platformy chmury, ERP i DCS obsługują obecnie złącze OPC UA, co upraszcza komunikację. Specyfikacje procesu OPC UA pozwalają maszynom różnych producentów prezentować spójny opis, za pomocą znormalizowanej semantyki. Na przykład specyfikacja robota VDMA zapewnia znormalizowany model informacyjny, który jest w stanie w jednolity sposób prezentować wszystkie informacje i funkcje związane z robotem, niezależnie od producenta lub lokalizacji.

Grupa doradcza ARC opublikowała informacje na ten temat.

Fundacja OPC ma znaczne osiągnięcia, jeśli chodzi o wspieranie OPC UA przez jej członków. Jest to jeden z powodów, dla których Fundacja OPC została wybrana przez zainteresowanych dostawców do opracowania standardu OPC UA na potrzeby deterministycznej komunikacji z wykorzystaniem TSN.

Wymienione 24 firmy mają wspólną wizję i uczestniczą w komisji nadzorującej inicjatywę Field Level Communications w sprawie rozszerzenia OPC UA na komunikację na poziomie obiektu za pośrednictwem TSN w celu zapewnienia bezproblemowej komunikacji od czujnika do chmury.

Znając zdecydowane poparcie firm dla tej wizji, można się spodziewać, że wszystkie one wprowadzą w nadchodzących latach na rynek produkty automatyki ze standardem OPC UA over TSN – pierwszy taki zestaw ma pojawić się w 2020 roku. To poparcie największych graczy przekona innych dostawców i integratorów do podążania za trendem rynkowym ujednoliconego rozwiązania komunikacyjnego i przyczyni się do powstania największego w historii ekosystemu podłączonych rozwiązań automatyki przemysłowej.

Obsługiwane są wszystkie topologie powszechnie stosowane w sieciach przemysłowych – w tym linia, gwiazda, drzewo i pierścień. TSN zawiera standardowy mechanizm zapewniający bezproblemową redundancję w czasie rzeczywistym, realizowaną za pomocą redundancji kabli, topologii pierścienia lub siatki.

Pakiet rozwojowy dostawcy będzie zawierał wszystko, co jest niezbędne do zapewnienia prostej i zautomatyzowanej konfiguracji. Dla tych, którzy zdecydują się nie korzystać z narzędzi dostawcy, niezbędnymi interfejsami konfiguracyjnymi są otwarte standardy, ponadto dostępne są dodatkowe narzędzia sieciowe innych firm.

Tak, ponieważ sieć TSN jest efektem ewolucji standardowego Ethernetu. TSN po prostu rozszerza standardową sieć Ethernet o możliwości działania w czasie rzeczywistym, dlatego możliwe jest instalowanie standardowych urządzeń Ethernet i urządzeń TSN w tej samej sieci.

Standardowe urządzenia Ethernet nie wymagają żadnego interfejsu ani bramki do podłączenia do sieci TSN. Jednak tylko urządzenia obsługujące sieci TSN będą mogły komunikować się w czasie rzeczywistym.

Tak, synchronizacja POWERLINK i OPC UA over TSN możliwa będzie w systemach B&R.

Firma B&R zawsze stosowała zrównoważoną strategię produktową zapewniającą długoterminową dostępność produktów i technologii. Strategia ta nie zmieni się wraz z wprowadzeniem na rynek OPC UA over TSN. B&R będzie wspierać POWERLINK równolegle z OPC UA over TSN w ramach swojego szerokiego asortymentu produktów. Klienci będą mogli wybrać najlepsze rozwiązanie komunikacyjne dostosowane do swoich potrzeb.

Możliwości TSN są już przewidziane w większości nowszych komputerów B&R Automation PC i będą obsługiwane przez wszystkie nowe kontrolery PLC, które pojawią się w przyszłości. TSN i Ethernet będą obsługiwane na tym samym porcie.

Dotychczasowe protokoły sieci przemysłowych korzystałyby ze wspólnej sieci TSN, ale urządzenia nie byłyby tak interoperacyjne, jak urządzenia OPC UA. Protokołom tym brakuje również semantyki i metod, które oferuje OPC UA. OPC UA ma wbudowane zabezpieczenia i jest uznawany za międzynarodowy standard komunikacji od czujników aż po chmurę, przy czym cały czas dodawane są nowe rozwiązania.

Kluczową różnicą jest interoperacyjność systemu: jej brak oznacza skazanie na jednego dostawcę i jedno rozwiązanie automatyzacji, bez możliwości komunikacji lub synchronizacji z innymi systemami. W przypadku zakładu z maszynami wielu producentów oznacza to brak możliwości zapewnienia komunikacji i wdrożenia zaawansowanych funkcji, takich jak monitorowanie stanu, wyważanie linii, konserwacja zapobiegawcza, optymalizacja maszyn oraz włączanie do eksploatacji i konserwowanie maszyn na zasadzie „podłącz i produkuj”. Dla konstruktora maszyn oznacza to ograniczenie do poziomu innowacyjności oferowanego przez wybranego dostawcę.

Pierwsze produkty zostaną zaanonsowane przez dostawców pod koniec 2019 roku i wprowadzone na rynek na początku 2020 roku. Więcej informacji na temat planów komercyjnych preferowanych producentów można uzyskać, kontaktując się z nimi bezpośrednio.

Zalecamy subskrypcję biuletynu Fundacji OPC lub kontakt z lokalnym przedstawicielem B&R. Pytania i deklaracje uczestnictwa w inicjatywie można kierować również bezpośrednio do Peter Lutz:

Peter Lutz, dyrektor ds. inicjatywy Field Level Communications
OPC Foundation
Peter.Lutz@OPCfoundation.org