OPC UA as enabler of modular autonomous system
Korolev, Ilja (2020)
2020
Automaatiotekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Automation Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-04-30
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004143208
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004143208
Tiivistelmä
OPC Unified Architecture (OPC UA) developed by OPC Foundation has been growing trend through Industry 4.0 revolutionary times. The goal of the OPC UA is to provide vendor-independent, interoperable and service-orientated entity for automation systems. OPC UA has been serving as higher-level data transferring protocol, however OPC Foundation decided to extend OPC UA down to the field-level to compete with legacy fieldbus protocols. With help of Time-Sensitive Network (TSN) OPC UA gains field-level real-time capabilities, that will allow deterministic controller-to-controller communication.
This thesis is a study on how OPC UA with help of TSN could be as enabler protocol for modular autonomous system. The purpose of thesis is to research TSN possibilities in the In-dustrial Internet of Things (IIoT) and what benefits combining OPC UA with TSN will bring. The goal of the research is to compare legacy fieldbuses with OPC UA over TSN and provide needed tools and mechanisms for system configuration to achieve modularity and autonomy in the system.
Based on a review of the literature on OPC UA and TSN, the lacking features in OPC UA was used as a theoretical framework for the need of TSN technology. Empirical research was used as research method, that was based on B&R white paper, other theoretical researches and own experiments using B&R hardware and software. The B&R white paper provided researches on legacy fieldbuses comparison between OPC UA over TSN, theoretical calculations, needed tools and mechanisms for TSN system. Own experiments and other researches brought out deficiency not only in OPC UA but in the current hardware and software. Gathered data from analysis of empirical research laid foundation for approach the solution.
As a result, the need for TSN is explained through additional research material providing concrete OPC UA over TSN features, methods and tools needed for modular autonomous sys-tem. The thesis offers a theoretical approach on how TSN should be implemented in the sys-tem and what are the benefits of the combining OPC UA with TSN in the system. However, further research is needed when TSN hardware is going to be released, so that TSN technology can be thoroughly tested. OPC-säätiön kehittämä OPC Unified Architecture (OPC UA) on ollut kasvava trendi Teolli-suus 4.0 -vallankumouksen aikana. OPC UA:n tavoitteena on tarjota valmistajasta riippumaton, yhteentoimiva ja palvelukeskeinen kokonaisuus automaatiojärjestelmille. Nykypäivänä OPC UA on toiminut korkeamman tason tiedonsiirtoprotokollana, mutta OPC-säätiö päätti laajentaa OPC UA:ta kenttätasolle asti kilpaillakseen nykyaikaisten kenttäväyläprotokollien kanssa. Time-Sensitive Network (TSN) -teknologian avulla OPC UA saavuttaa kenttätason reaaliaikaiset omi-naisuudet, jotka mahdollistavat deterministisen tiedonsiirron controller-to-controller liittymässä.
Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia kuinka OPC UA voisi TSN-teknologian avulla olla mahdollistajana modulaarisessa autonomisessa järjestelmässä. Diplomityön tarkoituksena on myös selvittää TSN-teknologian mahdollisuuksia teollisen esineiden internetissä (IIoT) sekä tutkia mitä hyötyä OPC UA:n ja TSN-teknologian yhdistämisestä on. Työn tavoitteena on verrata vanhoja kenttäväyliä OPC UA:han TSN-teknologian kanssa ja tarjota tarvittavia työkaluja ja me-kanismeja järjestelmän konfigurointiin modulaarisuuden ja autonomian saavuttamiseksi järjes-telmässä.
OPC UA:han ja TSN-teknologiaan pohjautuvan kirjallisuuskatsauksen perusteella, OPC UA:n puutteellisia ominaisuuksia käytettiin teoreettisena viitekehyksenä TSN-tekniikan tarpeen aset-tamiseksi. Tutkimusmenetelmänä käytettiin empiiristä tutkimusta, joka perustui B&R:n raporttiin (white paper), muihin teoreettisiin tutkimuksiin ja omiin käyttökokemuksiin, joissa käytettiin B&R-laitteistoa ja -ohjelmistoa. B&R:n raportissa esitettiin tutkimuksia liittyen vertailuun kenttä-väylien OPC UA over TSN välillä, teoreettisiin laskelmiin, tarvittaviin työkaluihin ja mekanismei-hin TSN-järjestelmää varten. Omat käyttökokemukset ja muut tutkimukset toivat esille puutteita paitsi OPC UA:ssa mutta myös nykyisessä laitteistossa ja ohjelmistossa. Empiirisen tutkimuk-sen analyysistä kerätyt tiedot loivat perustan tämän työn lopputulokselle.
Työn lopputuloksena TSN-teknologian tarve selitetään lisätutkimusmateriaalilla, joka pohjau-tuu konkreettisiin OPC UA over TSN -ominaisuuksiin, menetelmiin ja työkaluihin, joita tarvitaan modulaarisessa autonomisessa järjestelmässä. Tämä diplomityö tarjoaa teoreettisen lähesty-mistavan siitä, kuinka TSN tulisi toteuttaa järjestelmässä ja mitä hyötyä OPC UA:n ja TSN-teknologian yhdistämisestä on järjestelmässä. Lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan, kun TSN-laitteisto julkaistaan, jotta TSN-teknologia voidaan testata perusteellisesti.
This thesis is a study on how OPC UA with help of TSN could be as enabler protocol for modular autonomous system. The purpose of thesis is to research TSN possibilities in the In-dustrial Internet of Things (IIoT) and what benefits combining OPC UA with TSN will bring. The goal of the research is to compare legacy fieldbuses with OPC UA over TSN and provide needed tools and mechanisms for system configuration to achieve modularity and autonomy in the system.
Based on a review of the literature on OPC UA and TSN, the lacking features in OPC UA was used as a theoretical framework for the need of TSN technology. Empirical research was used as research method, that was based on B&R white paper, other theoretical researches and own experiments using B&R hardware and software. The B&R white paper provided researches on legacy fieldbuses comparison between OPC UA over TSN, theoretical calculations, needed tools and mechanisms for TSN system. Own experiments and other researches brought out deficiency not only in OPC UA but in the current hardware and software. Gathered data from analysis of empirical research laid foundation for approach the solution.
As a result, the need for TSN is explained through additional research material providing concrete OPC UA over TSN features, methods and tools needed for modular autonomous sys-tem. The thesis offers a theoretical approach on how TSN should be implemented in the sys-tem and what are the benefits of the combining OPC UA with TSN in the system. However, further research is needed when TSN hardware is going to be released, so that TSN technology can be thoroughly tested.
Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia kuinka OPC UA voisi TSN-teknologian avulla olla mahdollistajana modulaarisessa autonomisessa järjestelmässä. Diplomityön tarkoituksena on myös selvittää TSN-teknologian mahdollisuuksia teollisen esineiden internetissä (IIoT) sekä tutkia mitä hyötyä OPC UA:n ja TSN-teknologian yhdistämisestä on. Työn tavoitteena on verrata vanhoja kenttäväyliä OPC UA:han TSN-teknologian kanssa ja tarjota tarvittavia työkaluja ja me-kanismeja järjestelmän konfigurointiin modulaarisuuden ja autonomian saavuttamiseksi järjes-telmässä.
OPC UA:han ja TSN-teknologiaan pohjautuvan kirjallisuuskatsauksen perusteella, OPC UA:n puutteellisia ominaisuuksia käytettiin teoreettisena viitekehyksenä TSN-tekniikan tarpeen aset-tamiseksi. Tutkimusmenetelmänä käytettiin empiiristä tutkimusta, joka perustui B&R:n raporttiin (white paper), muihin teoreettisiin tutkimuksiin ja omiin käyttökokemuksiin, joissa käytettiin B&R-laitteistoa ja -ohjelmistoa. B&R:n raportissa esitettiin tutkimuksia liittyen vertailuun kenttä-väylien OPC UA over TSN välillä, teoreettisiin laskelmiin, tarvittaviin työkaluihin ja mekanismei-hin TSN-järjestelmää varten. Omat käyttökokemukset ja muut tutkimukset toivat esille puutteita paitsi OPC UA:ssa mutta myös nykyisessä laitteistossa ja ohjelmistossa. Empiirisen tutkimuk-sen analyysistä kerätyt tiedot loivat perustan tämän työn lopputulokselle.
Työn lopputuloksena TSN-teknologian tarve selitetään lisätutkimusmateriaalilla, joka pohjau-tuu konkreettisiin OPC UA over TSN -ominaisuuksiin, menetelmiin ja työkaluihin, joita tarvitaan modulaarisessa autonomisessa järjestelmässä. Tämä diplomityö tarjoaa teoreettisen lähesty-mistavan siitä, kuinka TSN tulisi toteuttaa järjestelmässä ja mitä hyötyä OPC UA:n ja TSN-teknologian yhdistämisestä on järjestelmässä. Lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan, kun TSN-laitteisto julkaistaan, jotta TSN-teknologia voidaan testata perusteellisesti.