- Die OPC UA-Integration steigert die Anzahl der Datenpunkte pro Experiment von 64 auf 4.000.
- Bis Ende 2025 sollen alle Bord- und Bodensysteme der TEXUS-Rakete OPC UA-kompatibel sein.
- Die Umstellung auf eine Ethernet-basierte Datenkommunikation war technisch herausfordernd, aber essenziell für die Systemflexibilität.
- OPC UA ermöglicht effiziente Fehlerbehebung, modulare Systemintegration und sichere Echtzeit-Datenübertragung.
TEXUS OPC UA-Unterstützungsspezifikation für optimiertes Datenmanagement
Airbus Defense and Space, ein Geschäftsbereich der europäischen Airbus-Gruppe, nutzt OPC UA seit 2017. „Technological Experiments in Zero Gravity”, kurz TEXUS, profitiert in hohem Maße von OPC UA. Das gesamte Datenmanagement und die sichere und nahtlose Kommunikation werden sowohl während des Raketenflugs als auch danach optimiert.
Sowohl die Flugsoftware an Bord der Rakete als auch alle Bodensysteme kommunizieren über OPC UA. Die speziell entwickelte Companion Specification steuert Sensoren, Aktoren und Regler. Bis Ende 2025 werden alle Geräte an Bord und am Boden vollständig OPC UA-kompatibel sein. Die TEXUS 61 wird damit die erste vollständig OPC UA-integrierte Forschungsrakete von Airbus Defense and Space sein.
Raketenprogramm TEXUS
Airbus Defence and Space
Airbus Defence and Space ist Teil der Airbus Group. Der Geschäftsbereich ist auf militärische und zivile Raumfahrtsysteme spezialisiert. Airbus Defence and Space führt auch Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für die Herstellung von Verteidigungs- und Raumfahrtgeräten durch, darunter Militärflugzeuge, Trägerraketen und Raumfahrzeuge. Darüber hinaus bietet das Unternehmen damit verbundene Dienstleistungen wie Cybersicherheit und militärische Aufklärung an.
Das im Januar 2014 gegründete Geschäftsfeld basiert auf drei Hauptsäulen: Militärische Flugzeuge (MiAS), Raumfahrtsysteme und Connected Intelligence (CI). Im Jahr 2023 ist Airbus Defence and Space in 35 Ländern vertreten und beschäftigt rund 34.000 Mitarbeiter aus über 86 Nationen. Die Hauptstandorte des Geschäftsbereichs befinden sich in Frankreich, Deutschland, Spanien, Großbritannien, Italien, den Niederlanden und Südafrika.
Technologische Experimente in der Schwerelosigkeit
Die Abkürzung TEXUS steht für „Technological Experiments in Zero Gravity” (Technologische Experimente in der Schwerelosigkeit). 1976 wurde der Grundstein für das TEXUS-Forschungsprogramm gelegt, das ursprünglich ein nationales Programm war.
Bis heute wurden 60 Forschungsmissionen als europäisch-deutsches Höhenforschungsraketenprogramm erfolgreich durchgeführt. Das Projekt wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Auftrag gegeben.
TEXUS wird seit Beginn an vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Darüber hinaus tragen zahlreiche Forschungsinstitute und Universitäten weltweit aktiv zur Weiterentwicklung dieses Projekts bei. Sie führen biologische, materialwissenschaftliche und physikalische Experimente an Bord der unbemannten Forschungsrakete durch.
Entscheidend sind dabei die Weltraumbedingungen der Schwerelosigkeit. Heute ist TEXUS das am längsten laufende Raketenprogramm für wissenschaftliche Experimente und Technologietests in der Schwerelosigkeit.
Airbus ist Europas größtes Luft- und Raumfahrtunternehmen und eines der weltweit führenden Unternehmen der Luftfahrtindustrie. Airbus hat seinen Hauptsitz in Leiden (Niederlande). Mit 147.893 Mitarbeitern aus 147 Ländern ist Airbus an mehr als 180 Standorten weltweit tätig und arbeitet mit rund 18.000 direkten Zulieferern auf globaler Ebene zusammen.
Mobile Raketenbasis
Sondierungsraketen
Sondierungsraketen befördern wissenschaftliche und technologische Experimente an den Rand des Weltraums, bevor sie als 5 Meter lange Nutzlast aus einer Höhe von 250 Kilometern zur Erde zurückkehren. TEXUS ermöglicht die Durchführung von Experimenten in den Bereichen Biologie, Materialwissenschaften und Physik unter Mikrogravitation. In der Regel befinden sich drei bis vier Experimentmodule an Bord, von denen jedes spezifische Forschungszwecke erfüllt.
Der Flug einer unbemannten Forschungsrakete dauert bis zu 15 Minuten. Die tatsächliche Zeit der Schwerelosigkeit dauert nur 6 Minuten. Die Rakete selbst ist 13 Meter lang, hat einen Durchmesser von 45 cm und eine Gesamtmasse von 2.680 kg. Mit einer Nutzlastkapazität von 400 kg kann TEXUS Experimente mit einer Masse von bis zu 280 kg aufnehmen. Die Länge des Nutzlastmoduls beträgt 5,3 Meter. Der Durchmesser beträgt 438 mm.
Forschungsexperimente an Bord von TEXUS
SIMONADas Experiment „Space Investigation of MONotectic Alloys” (Weltraumuntersuchung monotektischer Legierungen) zielt darauf ab, Phasentrennprozesse in einer monotektischen Legierung zu analysieren, um die Modelle für das Materialverhalten bei der Entmischung oder Vermischung in Schmelzen zu verbessern.
GECO ImExperiment „Gravity Elicited Calcium Oscillations” verwenden Wissenschaftler ein Fluoreszenzmikroskop mit einem 3D-Scanning-Laser, um lebende Zellen unter Mikrogravitationsbedingungen zu beobachten. Dabei nehmen sie 3D-Bilder auf, um Veränderungen der Kalziumkonzentration zu untersuchen.
PHOENIX IIZiel ist es, Verbrennungsprozesse in der Schwerelosigkeit und die Selbstentzündung von Kraftstofftröpfchen zu untersuchen, um die Verbrennungseffizienz insbesondere für umweltfreundlichere Motoren und Kraftstoffe zu steigern. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse könnte ihre Effizienz erheblich steigern.
SaFariUntersuchungder Kristallisation von flüssigem Silizium unter Mikrogravitation, um genauere Vorhersagen und Modelle seines Kristallisationsverhaltens zu entwickeln. Silizium ist für Solarzellen von entscheidender Bedeutung. Daher ist es wichtig, die Produktion zu verbessern, um die grüne Transformation voranzutreiben.
TOPOFLAME DiesesExperiment untersucht das Verhalten einer Flamme in der Schwerelosigkeit, indem ein Brennstoff unter konstantem Gasdruck verbrannt wird, ähnlich wie unter den Bedingungen in Raumfahrzeugen. Das Hauptziel besteht darin, die Sicherheit an Bord von Raumfahrzeugen zu verbessern, indem untersucht wird, wie sich Feuer in der Schwerelosigkeit ausbreitet.
T-REX Durchführungbiologischer Studien an menschlichen Zellen, den sogenannten T-Lymphozyten. Erforschung der Mechanismen der Mikrogravitationswahrnehmung in Säugetierzellen.
Forschungsraketenflug
Während ihrer ballistischen Flugbahn erreicht eine Forschungsrakete eine maximale Höhe von etwa 260 Kilometern und absolviert ihren Flug vom Start bis zur Landung in etwa 15 Minuten. Während dieser kurzen Zeit sind die Experimente an Bord etwa sechs Minuten lang der Schwerelosigkeit ausgesetzt. Dies ist eine seltene Gelegenheit, Einblicke in verschiedene Phänomene der Schwerelosigkeit zu gewinnen.
Enrico Noack – Ingenieur , Airbus Defense and Space
OPC UA-Integration
Erster Kontakt mit OPC UA
Airbus Defense and Space wurde erstmals von seinem Partnerunternehmen AMS Soft mit OPC UA vertraut gemacht. Der Partner arbeitete bereits im Automobilbereich mit OPC UA und empfahl die Lösung auch für die Flugsoftware. Im Jahr 2016 begann ein OPC UA-Projektteam bei Airbus Defence and Space, OPC UA als mögliche Lösung für die Datenkommunikation zu prüfen. Der erste Schritt bestand darin, die Optionen und Hürden für die Implementierung eines neuen Systems für das TEXUS-Raketenprogramm zu untersuchen.
Die Entscheidung, OPC UA ernsthaft als mögliche Lösung in Betracht zu ziehen, resultierte aus einer umfassenden Überprüfung der Spezifikationen und nicht aus umfangreichen Tests. Nach einer gründlichen Überprüfung des Standards erkannte Airbus Defence and Space schnell die Kompatibilität von OPC UA mit den Projektanforderungen. Infolgedessen wurde die Integration von OPC UA in die Betriebsprozesse sofort durchgeführt.
Schritt für Schritt zu OPC UA
Die operative Testphase für die Integration von OPC UA in TEXUS begann ebenfalls im Jahr 2016. Zu Beginn wurden erste Vorbereitungen getroffen und Definitionen erarbeitet. Die erste Phase wurde zügig durchgeführt, sodass die Implementierung innerhalb eines Jahres abgeschlossen war. Die Geschwindigkeit aller Prozesse in der ersten Phase wurde durch die schrittweise Einführung einzelner Systemkomponenten anstelle einer vollständigen OPC UA-Integration erleichtert.
Auf diese Weise konnten die ersten Komponenten schnell in das System integriert werden. „Obwohl die Einführung aus organisatorischen Gründen 2017 nur einen Teil des Systems umfasste, gab es keine Vorbehalte gegenüber OPC UA“, erklärt Enrico Noack. Zu diesem Zeitpunkt arbeiteten die bestehenden Experimentmodule unabhängig von OPC UA. Eine schrittweise Einführung neuer Elemente unter Beibehaltung der bestehenden Systeme war daher notwendig.
Die Lösung sah vor, dass neue Experimentmodule bei ihrer Einführung vollständig in OPC UA integriert werden. Bestehende Module erhalten Bodenadapter, um parallel zur alten Puls-Code-Modulation (PCM) zu arbeiten. So kann das System weiterhin alte Module aufnehmen.
Die Einführung von OPC UA wurde durch zwei wesentliche Faktoren vorangetrieben: die Ethernet-Fähigkeit und das integrierte Datenmodell innerhalb des Servers. Die Ethernet-Fähigkeit ermöglicht Fernprüfungen und -betrieb, sodass keine physische Anwesenheit erforderlich ist. Darüber hinaus vereinfacht das eingebettete Datenmodell die Fertigstellung von Testmodulen, da es den Zugriff auf und die Zusammenstellung der erforderlichen Informationen erleichtert.
Andreas Schütte – Programmmanager für suborbitale Missionen, Airbus Defense and Space
Alle Module bis 2025 OPC UA-konform
In den kommenden Monaten bis Ende 2025 sollen alle Raketen- und Bodensysteme in OPC UA integriert werden. Die Rakete TEXUS 60 (Start im März 2024) ist die letzte Forschungsrakete und der letzte Start, für den Adapter verwendet wurden. Zwei Experimentmodule an Bord von TEXUS 60 arbeiteten bereits mit OPC UA. Ein drittes war noch nicht OPC UA-konform. Dieses dritte Modul soll nun in OPC UA integriert werden. Mit dem Start von TEXUS 61 werden alle Experimentmodule in OPC UA integriert sein. Die Startvorbereitungen für TEXUS 61, ausgestattet mit vollständig integrierten OPC UA-Modulen, sollen Ende 2025 beginnen.
Datenmanagement mit OPC UA
Integration von Geräten, Maschinen und Sensoren mit OPC UA
Die wichtigsten Elemente, die mit OPC UA in das System integriert sind, sind Sensoren, Aktoren und Steuerungen. Das UEIPAC von United Electronic Industries (UEI) ist eine Hauptkomponente, die als eingebettete Steuerung die Schnittstelle zu einer Reihe von Sensoren und Aktoren bildet. IBV Systems hat für diese Plattform eine Software entwickelt, die Daten auf dem Echtzeit-Linux erfasst und Aktoren steuert.
Ein weiteres wichtiges Gerät ist das Tinker Board von ASUS, das hauptsächlich am Boden eingesetzt wird. Diese eingebetteten Systeme vereinfachen die Verwendung von Sensoren. Für TEXUS werden derzeit Steuerungen der Schweizer Firma Meerstetter Engineering verwendet. Sie werden über das UEIPAC in das System integriert, das die Kommunikation über OPC UA ermöglicht.
Diese Integration erhöht die Betriebseffizienz, indem sie eine nahtlose Kommunikation über das RS422-Modul und die Ausführung von Befehlen über OPC-UA-Protokolle ermöglicht. Die UEIPAC und die Software konvertieren alle empfangenen Daten und Befehle in das OPC-UA-Format, wodurch die Kommunikation optimiert und die Interoperabilität innerhalb des Systems verbessert wird.
Leistung von OPC UA bei TEXUS
Mit OPC UA steigt die Anzahl der Datenpunkte pro Experiment von 64 auf 4.000.
OPC UA ermöglicht einen besseren Einblick in das System, da umfassende Kommunikationsdaten in Echtzeit übertragen werden können.
Die Systemintegration wird vereinfacht.
Eine effiziente Fehlerbehebung, die zuvor zeitaufwändig und arbeitsintensiv war, wird möglich.
Wenn die Datenkommunikation fehlschlägt, werden die Daten vorübergehend im Experimentmodul gespeichert.
OPC UA-Unterstützungsspezifikation
Die TEXUS OPC UA-Unterstützungsspezifikation umfasst Datentypen, Bildtypen, Methoden und Namespace-Konfigurationen und optimiert die Datenverwaltung und -speicherung. Dies gewährleistet Standardisierung und Interoperabilität.
OPC UA hat auch die Anzahl der Datenpunkte pro Experiment von 64 auf 4.000 deutlich erhöht. Die Effizienz jedes Forschungsflugs und jedes einzelnen Experiments wurde somit erheblich gesteigert, da wesentlich mehr wissenschaftliche Daten generiert werden.
Darüber hinaus bietet OPC UA einen besseren Einblick in das System, da neben den Messdaten auch umfassende Kommunikationsdaten übertragen werden können. Dies vereinfacht die Systemintegration und ermöglicht bei Bedarf eine effiziente Fehlerbehebung. Die Fehlersuche war zuvor zeitaufwändig und arbeitsintensiv.
Weitere Vorteile von OPC UA bei TEXUS
Die Module sind autonom und können Experimente selbstständig steuern.
Grundlegende Experimente können auch bei Kommunikationsunterbrechungen durchgeführt werden.
Nach der Wiederherstellung des Moduls haben die Wissenschaftler Zugriff auf alle Versuchsdaten.
Die Integrität der Forschungsergebnisse bleibt gewährleistet.
Die an Bord gesammelten Verwaltungsdaten werden in Echtzeit an Bodensysteme und -geräte übertragen.
Optimiertes Datenmanagement
OPC UA wird sowohl in den Bordsystemen als auch in den Bodensystemen verwendet. Im Bordsystem wird es in der Flugsoftware zur Datenerfassung und Experimentsteuerung eingesetzt. Am Boden wird OPC UA in Anzeigen, Archiven und Bodensystemen verwendet, um Entwicklungsingenieuren den Zugriff auf Daten zu ermöglichen. Alle Bodensysteme und -geräte sind daher OPC UA-kompatibel und ermöglichen eine zentrale Steuerung und Datenkonvertierung über Adapter zur Integration in Datenbanken.
Das Ergebnis: Hocheffizientes Datenmanagement über verschiedene Plattformen hinweg.
OPC UA-Datendurchsatz
Der maximale Datendurchsatz für die Verbindung zwischen Weltraum und Boden beträgt für alle Experimente zusammen etwa 5 Mbit/s. Das OPC-UA-Protokoll ist so schlank, dass durchschnittlich 32 Kbit/s pro Experiment ausreichen. OPC UA überträgt geänderte Daten effizient und vermeidet unnötige erneute Übertragungen, was ideal für die Verarbeitung großer Datenmengen wie den 4.000 Messpunkten im TEXUS-Projekt ist.
Darüber hinaus werden nur die für das jeweilige Szenario erforderlichen Daten übertragen. OPC UA steigert die Leistung und Effizienz der Datenübertragung erheblich.
Herausforderungen und Vorteile
Die Herausforderungen der OPC UA-Integration
Die größte Herausforderung für TEXUS war die Umstellung des Raum-Boden-Kommunikationssystems auf Ethernet, das den bisherigen Kommunikationsstandard ersetzte.
Der alte Standard bot zwar die Vorteile eines festen Datenrahmens, aber seine inhärente Inflexibilität erforderte die Einhaltung spezifischer Protokolle, was den Betrieb des Systems einschränkte.
Da OPC UA auf Ethernet basiert, musste der gesamte Übertragungsweg umgestellt werden, was die Einhaltung von zwei Standards gleichzeitig erforderte.
Anfangs stellten Bandbreitenbeschränkungen ein großes Hindernis dar, da für die OPC-UA-Datenübertragung zunächst nur 32 kbit/s pro Experiment zur Verfügung standen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erforderte umfangreiche Anpassungen und Überzeugungsarbeit, insbesondere bei der Umstellung des von OHB bereitgestellten Servicesystems vom alten PCM-Format auf den neuen Standard.
Dank frühzeitiger Kommunikationsinitiativen und schrittweiser Umsetzungsstrategien konnte schließlich eine vollständige Ethernet-basierte Übertragungsfähigkeit erreicht werden.
OPC UA dient als Datenautobahn, die für schnelle, umfangreiche, kontrollierte und sichere Datenübertragung bekannt ist. Die OPC Foundation antizipiert stets unsere Bedürfnisse und beweist damit ihren proaktiven Ansatz, beispielsweise mit PubSub. In den drei Jahren vor der Implementierung war die Zusammenarbeit mit OPC Labs und Unified Automation entscheidend für unseren Fortschritt, und wir sind sehr zufrieden mit dem Ergebnis unserer Bemühungen.
Enrico Noack – Ingenieur , Airbus Defense and Space
Vorteile der OPC UA-basierten Kommunikation
Der größte Vorteil liegt in der Standardisierung, die durch die Verwendung von Ethernet ermöglicht wird. Diese allgegenwärtige Schnittstelle erleichtert den vielseitigen Einsatz von Experimentmodulen außerhalb von Raketenumgebungen, einschließlich der Verwendung im ZARM-Fallturm in Bremen und bei Parabelflügen.
Darüber hinaus kann die modulare Instrumentierung nun unabhängig betrieben werden, da OPC UA das Datenmodell auf dem Server speichert und so einen nahtlosen Betrieb mit einem einzigen Laptop ermöglicht, ohne dass ein zentrales Datenmanagementsystem erforderlich ist.
„Dies erhöht die Effizienz, insbesondere wenn wir bis zu vier Experimentmodule pro Jahr entwickeln müssen“, sagt Enrico Noack. Dieser optimierte Prozess ermöglicht es den Ingenieuren auch, die Anzeigen anzupassen und die Flugsoftware unabhängig zu konfigurieren, um auf wissenschaftliche Anforderungen zu reagieren.
Integration und Modularität
Die Fähigkeit von OPC UA zur Systemintegration und Modularität ermöglicht die Kombination verschiedener Systeme und Funktionen durch Microservices. Die Möglichkeit, verschiedene Systeme, Funktionen und sogar verschiedene Betriebssysteme wie Windows und Linux zu integrieren, erhöht die Flexibilität und Interoperabilität. Das modulare Designprinzip von OPC UA fördert die Anpassungsfähigkeit und Zusammenarbeit und ermöglicht die nahtlose Integration von Partnern und ihren einzigartigen Fähigkeiten.
Die Integration verschiedener Dienste führt zu einer breiten Softwarelandschaft. Diese Landschaft muss konsequent gepflegt werden. Zusammen mit der Hochschule Bremen (HSB) wurde ein Konzept entwickelt und umgesetzt. Der Schwerpunkt liegt auf der Modularität, die die Vielseitigkeit und das Erfolgspotenzial von OPC UA in Forschungsprojekten wie TEXUS unterstreicht.
Sicherheit und Echtzeitdaten
Sicherheitsmaßnahmen bei der OPC UA-Bereitstellung
Sicherheitsaspekte sind in OPC UA-Einsatzszenarien sehr wichtig. Es werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um die Datenintegrität und den Schutz vor Cyber-Bedrohungen zu gewährleisten. Diese Aktivitäten wurden von der Firma Vectano geleitet.
Ein wichtiger Ansatz bei TEXUS ist die Verwendung separater, gesicherter Netzwerke, die die Isolierung und den Schutz sensibler Daten gewährleisten. So sind beispielsweise die Bordnetzwerke ausschließlich für das Experiment vorgesehen, und interne VLANs innerhalb der Betriebsumgebung unterteilen die Experimente weiter, um die Sicherheit zu erhöhen.
Der externe Zugriff auf das Netzwerk, beispielsweise zur Überwachung der Experimente durch die Wissenschaftler, ist eingeschränkt, wobei die Daten über PubSub an Cloud-Plattformen weitergeleitet werden. Diese Strategie verhindert den unbefugten Zugriff auf das Netzwerk und stärkt somit die Sicherheitsmaßnahmen.
Datenübertragung in Echtzeit
Die Echtzeit-Datenübertragung zu den verschiedenen an TEXUS beteiligten Standorten wird durch den Einsatz bestehender Technologien gewährleistet, insbesondere durch den cloudbasierten Zugriff für das Personal während Raketenstarts, wie beispielsweise im Esrange.
Mit der von der Firma Humatects entwickelten Plattform wird jedem Experiment eine eigene Instanz zugewiesen, auf die über Cloud-Plattformen zugegriffen werden kann, sodass Benutzer über Browseranwendungen aus der Ferne auf die Experimentdaten zugreifen und diese analysieren können.
Die Daten werden über OPC UA in die Cloud übertragen, und der Datenabruf wird durch die Integration von Diensten aus externen Quellen erleichtert, wie z. B. denen, die für die Internationale Raumstation (ISS) entwickelt wurden und Protokolle wie AMQP für die Datenübertragung verwenden.
Unified Automation leistete Unterstützung bei der Entwicklung von Übertragungsprotokollen, um die Kompatibilität und Effizienz des Datenaustauschs zwischen OPC UA und der Cloud sicherzustellen und die Datenübertragungsprozesse über verteilte Standorte hinweg zu optimieren.
Unified Automation
Seit 2007 bietet Unified Automation Bibliotheken für die Anwendungsentwicklung und Softwaretools für die effektive Nutzung von OPC UA an und ist damit einer der ausgereiftesten Anbieter kommerzieller OPC UA-Technologie. Viele große Automatisierungshersteller, Lösungsanbieter und Endnutzer vertrauen auf die professionellen OPC UA-Produkte und -Dienstleistungen von Unified Automation.
Wir haben Airbus von Anfang an bei der Integration von OPC UA beraten. Die Funktionalität von OPC UA und die ausgereifte Implementierung unserer kommerziellen Toolkits ermöglichen den zuverlässigen Einsatz in einem hochkomplexen System wie der TEXUS-Forschungsrakete. Modularität wird durch standardisierte Datenmodelle erreicht, die sicher und in Echtzeit kommunizieren, wobei Airbus die gesamte Bandbreite der OPC UA-Technologien fordert und erfolgreich nutzt.
Matthias Damm – Geschäftsführer , Unified Automation
Weiterentwicklung mit OPC UA: Schnittstellenentwicklung mit KI
Eine der aktuellen Weiterentwicklungen von OPC UA ist die Entwicklung einer Schnittstelle zur künstlichen Intelligenz (KI). Diese Initiative zielt darauf ab, eine Brücke zwischen OPC UA und KI-Technologie zu schlagen, insbesondere bei der Schaffung eines Bedienerassistenzsystems. Die Integration von KI verspricht unverzichtbare Unterstützung für den Betrieb komplexer Test- und Versuchsanlagen, die in der Regel technisches Fachwissen erfordern.
Durch den Einsatz eines solchen Bedienerassistenzsystems erhalten Wissenschaftler einen verbesserten Zugang zu Versuchsanlagen und können so deren Nutzung erweitern. Verschiedene Abteilungen von Airbus sind an dieser Zusammenarbeit beteiligt, um gemeinsam Möglichkeiten zu erkunden und die Funktionalität zu optimieren.
