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Standardisierte IoT-Kommunikation

: Beckhoff


Durch die zunehmende Konvergenz von IT- und Automatisierungstechnologien finden Cloud-basierte Kommunikationsdienste vermehrt in industriellen Steuerungsprojekten Verwendung. Dementsprechend gewinnt auch die PC-basierte Steuerungstechnik zusätzlich an Bedeutung. Die Beckhoff-Automatisierungsplattform TwinCAT unterstützt die relevanten Kommunikationsstandards, wie z. B. OPC UA, MQTT und AMQP, und erleichtert somit die Realisierung von Cloud-basierten Produktionskonzepten.

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TwinCAT IoT und TwinCAT OPC UA unterstützen die Realisierung von standardisierter Kommunikation bis in die Cloud.

TwinCAT IoT und TwinCAT OPC UA unterstützen die Realisierung von standardisierter...

Die Cloud fungiert immer öfter als Enabler zur Realisierung von IoT-Projekten. Sogenannte Cloud Service Provider stellen ihre Infrastrukturen und Dienste für Kunden global und abstrahiert zur Verfügung und reduzieren so die für den Kunden zu konfigurierende Komplexität des Systems auf ein Minimum.

Solche Cloud-Dienste können einfache Speicherfunktionen wie SQL- oder No-SQL-Datenbanken zur Verfügung stellen, aber auch komplexe Machine-Learning-Algorithmen sein, welche auf der Infrastruktur des Cloud-Anbieters gehostet und ausgeführt werden. Bei der Kommunikation mit diesen Diensten in der Public Cloud erfolgt die Data Ingestion, d. h. die Dateneinlagerung, häufig über einen sogenannten Message Broker. Dieser stellt einen gesicherten und aus Transportprotokoll-Sicht standardisierten Endpunkt zur Nachrichtenverteilung in der Cloud dar, über den die anderen Cloud-Dienste erreicht und verwendet werden können. Prominente Beispiele für solche Broker-Dienste in der Public Cloud sind Microsoft Azure™ IoT Hub, Amazon Web Services IoT, IBM Watson IoT oder auch Google IoT.

Das IoT-Kommunikationsprotokoll MQTT

Die Gemeinsamkeit bei all diesen Plattformen ist das unterlagerte Transportprotokoll. Schon recht früh hat sich hier ein Protokoll für den Transportweg durchgesetzt und wurde von allen gängigen Public-Cloud-Systemen adaptiert: das sogenannte Message Queueing Telemetry Transport (MQTT) Protokoll. „Die Einfachheit und der geringe Overhead machen dieses Protokoll gerade auch für Anwendungen attraktiv, bei denen kleine Embedded-Systeme über instabile Kommunikationsleitungen Daten austauschen müssen – entweder mit der Cloud
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Der EtherCAT-IoT-Buskoppler EK9160 bildet die optimale Basis für Cloud-basierte Konzepte der Steuerungs- und Datenanalyse.

Der EtherCAT-IoT-Buskoppler EK9160 bildet die optimale Basis für Cloud-basierte...

oder auch untereinander“, erklärt Sven Goldstein, Produktmanager TwinCAT, Connectivity & IoT, bei Beckhoff Automation.

MQTT basiert im Gegensatz zu den klassischen Client-/Server-Applikationen, wie man sie seit vielen Jahren im Automatisierungsumfeld kennt, auf dem Publisher-/Subscriber-Prinzip. Damit vereinfacht sich die Integration in existierende IT-Infrastrukturen aufgrund von rein ausgehenden Datenverbindungen. „Zusätzlich können gängige Sicherheitsmechanismen wie TLS verwendet werden, um den Transportkanal abzusichern und eine Geräteauthentifizierung zu realisieren“, betont Sven Goldstein.

Doch auch wenn der Transportweg über MQTT eine Standardisierung erfahren hat, so sagt MQTT noch nichts über den Inhalt einer Nachricht aus. Denn der Nachrichteninhalt ist laut Spezifikation zunächst als „rein binär“ deklariert, was die Serialisierung und Deserialisierung von Nachrichten immer applikations- bzw. herstellerspezifisch macht. „Die bei Cloud-Systemen übliche Verwendung der sogenannten JavaScript Object Notation (JSON) zur Codierung von Nachrichteninhalten ist hierbei zwar seit vielen Jahren gängige Praxis, jedoch können auch die Inhalte von JSON-Nachrichten applikationsspezifisch sein und sich von Hersteller zu Hersteller oder sogar von Cloud-Anbieter zu Cloud-Anbieter unterscheiden“, verrät der Connectivity & IoT-Experte bei Beckhoff. Und er ergänzt: „Aus Applikationssicht erschwert dies eine Weiterverarbeitung der Daten immens. Glücklicherweise wurden seitens der OPC Foundation die Vorteile von Cloud-basierter Kommunikation mittels Publisher-/Subscriber-Prinzipien in Unified Architecture (UA) adressiert. Eine entsprechende Arbeitsgruppe innerhalb der OPC Foundation beschäftigt sich mit der Erweiterung der OPC UA-Spezifikation durch
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Message Broker als Connectivity-Dienst und „Gateway“ zum jeweiligen Cloud Eco-System.

Message Broker als Connectivity-Dienst und „Gateway“ zum jeweiligen Cloud...

Publisher-/Subscriber-Mechanismen.“

Da der Transportkanal bei OPC UA austauschbar ist und um keinen Transportkanal für Publisher/Subscriber entwickeln zu müssen, wurde u. a. MQTT als Transportweg gewählt. Hierdurch erreicht man ein hohes Maß an Kompatibilität zu existierenden Systemen, was durch die weiter steigende Verbreitung von MQTT innerhalb der Cloud-Systeme unterstützt wird.

TwinCAT integriert nahtlos die IoT-Standardprotokolle

Mit neuen IoT-Produkten und -Konzepten stellt die Engineering- und Steuerungs-Software TwinCAT 3 die Basistechnologie für Industrie-4.0-Konzepte und die IoT-Kommunikation zur Verfügung. Auch die neuen Beckhoff I/O-Komponenten, wie z. B. der IoT-Buskoppler EK9160, ermöglichen eine nahtlose und einfach zu konfigurierende Integration in Public- und Private-Cloud-Anwendungen.

Die Automatisierungsplattform TwinCAT wird hierbei mit den Supplement-Produkten TwinCAT OPC UA und TwinCAT IoT durch standardisierte und sichere Kommunikationswege (nicht nur) für die Cloud bereichert. Sie stellt hier sowohl MQTT-Publisher-/Subscriber- als auch OPC UA-Funktionalitäten, wie z. B. klassische Client-/Server-Kommunikation, Historical Access und Alarms & Conditions, zur Verfügung sowie diverse Mechanismen zur Absicherung der Kommunikation und des Zugriffs auf Inhalte der Steuerungslogik. Die Kommunikation kann hierbei mit den gängigen Cloud-Systemen wie Microsoft Azure™, Amazon Web
Services, IBM Watson oder auch Google IoT erfolgen, aber auch Private-Cloud-Szenarien innerhalb des eigenen Unternehmens- oder Maschinennetzwerks adressieren. Über OPC UA können hierbei nicht nur Beckhoff- sondern auch Drittanbieter-Systeme an die Cloud angebunden werden. „Durch das beständige Mitwirken von Beckhoff in den entsprechenden Arbeitsgruppen der OPC Foundation konnten erste OPC UA-Publisher-/Subscriber-Prototypen sogar noch vor Fertigstellung der Spezifikationserweiterung implementiert werden“, streicht Sven Goldstein hervor.

„Plug-and-Cloud“ mit dem IoT-Buskoppler

Einfach per Plug-and-play an alle gängigen Cloud-Systeme übertragen lassen sich sämtliche Steuerungsdaten auch mit dem bereits angesprochenen IoT-Buskoppler EK9160 für EtherCAT-Klemmen. Durch die Realisierung als Buskoppler-Lösung ist dabei weder eine Steuerung noch eine Programmierung notwendig. Die Parametrierung der I/O-Daten – z. B. Datenverarbeitung und Daten-Timing – erfolgt in einem einfachen Konfigurationsdialog über den integrierten Webserver. Ein spezielles Engineering-Tool ist nicht notwendig. Anschließend übernimmt der IoT-Buskoppler eigenständig den Versand der Daten, inkl. Zeitstempel, an den Cloud-Dienst. Auch erweiterte Mechanismen wie das lokale Zwischenpuffern der I/O-Daten auf einer Micro-SD-Karte bei Unterbrechung der Internetverbindung stehen hierbei zur Verfügung. Die jeweiligen Cloud-Services und Security-Funktionen – Verschlüsselung, Firewall – lassen sich ebenfalls über den Webserver komfortabel konfigurieren. „Der Koppler ist als Einstieg in die IoT- und Cloud-Welt gedacht. Er kann verwendet werden, um digitale und analoge Signale in die Cloud zu schicken bzw. aus der Cloud zu empfangen. Dank TLS-Unterstützung können die zu übertragenden mit selbstgenerierten oder von einer Zertifizierungsstelle ausgestellten Zertifikaten verschlüsselt werden. Weiters wird eine Authentifizierung mit Benutzername und Passwort unterstützt“, beschreibt Balazs Bezeczky, Vertriebsingenieur und IoT/I 4.0-Spezialist bei Beckhoff abschließend, dass sich mit einem IoT-Buskoppler EK9160 nicht nur standardisiert, sondern auch sicher kommunizieren lässt.

TwinCAT IoT und TwinCAT OPC UA unterstützen die Realisierung von standardisierter Kommunikation bis in die Cloud.
Der EtherCAT-IoT-Buskoppler EK9160 bildet die optimale Basis für Cloud-basierte Konzepte der Steuerungs- und Datenanalyse.
Message Broker als Connectivity-Dienst und „Gateway“ zum jeweiligen Cloud Eco-System.


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Bericht in folgenden Kategorien:
Steuerungstechnik, Industrie 4.0, Automation aus der Cloud

Special Automation aus der Cloud

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Pilz gilt seit jeher als „sichere“ Adresse, wenn es um kompetente Unterstützung bei der korrekten Umsetzung relevanter Normen und Richtlinien geht. Auf Wunsch werden die Kunden bis zur fertigen CE-Konformitätserklärung begleitet. Das angebotene Dienstleistungsportfolio umfasst u. a. Applikationsanalysen, Risikobeurteilungen und die Erstellung von normgerechten Sicherheitskonzepten bzw. technischen Dokumentationen. Genaueres dazu verrät der Certified Machinery Safety Expert Ing. Bernhard Buchinger, der bei Pilz als Senior Manager Consulting Services für Westösterreich tätig ist. Das Gespräch führte Sandra Winter, x-technik
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