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Quale ruolo giocheranno in futuro i sistemi OPC UA, TSN e l’Ethernet industriale classico? Intervista a Volker Goller, Engineer @ Analog Devices

OPC UA realizza un'interfaccia applicativa universale sfruttando il suo spazio di indirizzo, mentre il TSN aggiunge funzionalità real time all’Ethernet standard, consentendo una velocità di dati nell’ordine del gigabit.

Combinare le tecnologie OPC UA e TSN attraverso un modello di publish/subscribe (pub/sub) ha un forte significato, ma esistono anche altre possibilità per le comunicazioni industriali nell'ambito dell'industria 4.0. In questa intervista condotta da Andreas Knoll di Markt&Technik, Volker Goller, System Applications Engineer del Deterministic Ethernet Technology Group di Analog Devices [1], fornisce alcune informazioni di base.

1.Quali compiti sono svolti da OPC UA e quali dal TSN nei sistemi OPC UA TSN?

Per chiarire il ruolo dell'OPC UA, vorrei citare Stefan Hoppe, vice presidente della Fondazione OPC: "L'OPC UA non è un protocollo, ma un modello informativo". Con questo intende sottolineare proprio che l'OPC UA è prima di tutto un modello informativo. Naturalmente esiste anche un protocollo per la connessione di client e server, ma il punto di forza di OPC UA risiede nello spazio di indirizzo, ed è questo che lo rende un'interfaccia applicativa universale. La flessibilità di OPC UA consente di mappare le interfacce utente esistenti, cioè i profili dei protocolli industriali Ethernet. Quindi, già ora quasi tutti i profili di un protocollo Ethernet industriale sono rappresentati nello spazio di indirizzo OPC UA e si sta lavorando per raggiungere la totalità. OPC UA non ha ancora specificato il tipo di profili (I/O, drive, sicurezza, ecc.), ma questo probabilmente cambierà. Nell'ambito dell'Industria 4.0, OPC UA è vista come una lingua franca dalle grandi potenzialità future. Al contrario, il TSN è un'estensione dell’Ethernet IEEE-802.1 con tutta una serie di nuove possibilità volte a rendere la rete Ethernet più deterministica e con funzionalità real-time. Poiché l'hardware compatibile TSN sarà presto lanciato da numerosi produttori, esso potrebbe anche rappresentare una “democratizzazione” delle comunicazioni in tempo reale. Grazie al TSN, quasi tutti i protocolli potrebbero acquisire capacità real-time.
In questo contesto, è stato istituito un gruppo di lavoro pub/sub con l'obiettivo di specificare un protocollo di trasporto real-time per OPC UA con l'ausilio del TSN. Questo consentirebbe a OPC UA di lavorare real-time, diventando una potenziale alternativa ai protocolli Ethernet industriali. Ciò riveste particolare interesse per i livelli superiori al classico PLC, laddove controllori di diversi produttori sarebbero in grado di interagire in tempo reale con OPC UA. TSN può anche dare a OPC UA una larghezza di banda garantita in rete e, quindi, una maggiore robustezza di quanto attualmente possibile.
Tuttavia, il pub/sub non è l'unico modo per rendere OPC UA real-time. Si sta anche cercando di sviluppare un modello di OPC UA per DDS, un protocollo real-time diffuso e collaudato. Ciò consentirebbe il funzionamento di sistemi distribuiti con DDS/TSN e l'utilizzo di OPC UA come interfaccia applicativa.
Resta da vedere cosa succederà.

2.Quali compiti e funzioni resteranno riservati a sistemi Ethernet industriali classici e fieldbus in futuro?

I classici protocolli Ethernet industriali non scompariranno. Alcuni continueranno a esistere in una forma diversa (come profili o famiglie di profili in OPC UA) e altri in futuro saranno basati su TSN. I fieldbus classici invece saranno sostituiti da Ethernet.

3.Quali funzioni potrebbero essere svolte dai sistemi Ethernet industriali classici in sistemi OPC UA TSN al di sopra del livello di profilo?

Per dirlo chiaramente ancora una volta, il TSN non implica automaticamente OPC UA. Si tratta di due tecnologie completamente indipendenti. OPC UA può svolgere un ruolo importante nel collegamento in rete dei controllori (da controllore a controllore). Il pub/sub con TSN è vantaggioso in questo caso; bisogna ancora dimostrare se può giocare un ruolo anche a livello di field, perché OPC UA non è uno stack SW a basso footprint, per lo meno se si intende sfruttarne tutte le funzionalità.

4.In che modo le organizzazioni di Ethernet industriale classiche rispondono alla sfida del TSN?

Direi che tutte le organizzazioni stanno rispondendo bene all'opportunità rappresentata dal TSN. Il TSN promette una maggiore selezione di hardware, in particolare di componenti infrastrutturali, e consente di raggiungere velocità più elevate, cioè 1 Gbps e oltre. Vedremo quindi Profinet® TSN, così come EtherNet/IP® su TSN e OPC UA Pub/Sub.

5.Il TSN sarà in grado di supportare applicazioni real-time con tempi di ciclo fino a 31,25 µs, e forse anche inferiori in futuro?

Per scendere al di sotto di 250 µs a 100 Mbps, i protocolli industriali consolidati dovranno apportare modifiche significative allo standard Ethernet. L'IEEE non è ben disposto verso approcci non standard, come i protocolli di “summation frame” su cui, per esempio, si basano EtherCAT® e persino Sercos. Non è probabile che queste estensioni siano incorporate nello standard TSN.
In risposta alla domanda, TSN raggiungerà il limite definito dall'IEEE per 250 µs a 100 Mbps, almeno finché dovrà funzionare in parallelo con applicazioni TCP/IP standard. Per cicli inferiori, la strada verso 1 Gbps è aperta.

6.Come si risolve il tema sicurezza o come ci si aspetta che venga risolto dal TSN?
La sicurezza si basa normalmente sul principio del “black channel” e di solito è definita a monte dei protocolli di comunicazione. Tuttavia, l'affidabilità del canale di comunicazione è un fattore di cui tenere conto nei calcoli di sicurezza. TSN non diventerà meno affidabile di quanto lo siano i sistemi odierni.

7.Il protocollo OPC UA può essere trasmesso anche attraverso sistemi Ethernet industriali classici come Time Slot o Tunneling. Perché dovrebbe aver bisogno di un TSN?

Il TSN garantisce il determinismo del real-time all’Ethernet standard. In molti casi, protocolli diversi coesistono su uno stesso cavo. Il TSN consente la coesistenza sicura di TCP/IP in tempo reale e best-effort su un unico cavo.

8.Quali vantaggi ha il TSN rispetto ai sistemi Ethernet industriali classici?

Il TSN non è un nuovo protocollo Ethernet industriale. Si tratta di un'estensione unificata che aggiunge capacità di real-time all’Ethernet standard. I vantaggi sono già stati illustrati: disponibilità hardware, infrastruttura unificata e definizione indipendente dalla velocità.

9.Quale ruolo giocano i costi?

Infrastrutture e hardware scalabili e standardizzate promettono una riduzione dei costi e un know-how unificato.

10.Quanto è importante in tutto ciò l’obiettivo di implementare data rates di 1 Gbps o superiori?

La velocità di 1 Gbps (e oltre) è una progressione logica della rete di oggi. Prenderà il posto di 100 Mbps? Non dappertutto, tuttavia il supporto Gbps consente nuove applicazioni e supera i colli di bottiglia delle prestazioni che si verificano oggi con applicazioni ad alta intensità di dati.
TSN non è un nuovo protocollo Ethernet industriale, ma piuttosto un'estensione unificata che aggiunge funzionalità in tempo reale alla rete Ethernet standard.

[2]

Figura 1: Volker Goller, System Applications Engineer del Deterministic Ethernet Technology Group di Analog Devices, fornisce alcune informazioni di base.